① 设计模式的艺术-01.单例（Singleton）模式

单例模式为何要出现

　　在工作过程中，发现所有可以使用单例模式的类都有一个共性，那就是这个类没有自己的状态，换句话说，这些类无论你实例化多少个，其实都是一样的。

　　如果我们不将这个类控制成单例的结构，应用中就会存在很多一模一样的类实例，这会非常浪费系统的内存资源，而且容易导致错误甚至一定会产生错误，

所以我们单例模式所期待的目标或者说使用它的目的，是为了尽可能的节约内存空间，减少无谓的GC消耗，并且使应用可以正常运作。

常见应用场景

　　Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式

　　windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。

　　项目中，读取配置文件的类，一般也只有一个对象。没有必要每次使用配置文件数据，每次new一个对象去读取。

　　网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。

　　应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。

　　数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。

　　操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。

　　Application 也是单例的典型应用（Servlet编程中会涉及到）

　　在Spring中，每个Bean默认就是单例的，这样做的优点是Spring容器可以管理

　　在servlet编程中，每个Servlet也是单例

　　在spring MVC框架/struts1框架中，控制器对象也是单例

单例模式的优点

　　由于单例模式只生成一个实例，减少了系统性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化环共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

一、饿汉式实现（单例对象立即加载）

public class SingletonDemo1 {

    //类初始化时，立即加载这个对象（没有延时加载的优势）。加载类时，天然的是线程安全的！
    private static SingletonDemo1 instance = new SingletonDemo1();  

    private SingletonDemo1(){
    }

    //方法没有同步，调用效率高！
    public static SingletonDemo1  getInstance(){
        return instance;
    }

}

饿汉式单例模式代码中，static变量会在类装载时初始化，此时也不会涉及多个线程对象访问该对象的问题。虚拟机保证只会装载一次该类，肯定不会发生并发访问的问题。

因此，可以省略synchronized关键字。

问题：如果只是加载本类，而不是要调用getInstance()，甚至永远没有调用，则会造成资源浪费！

二、懒汉式实现（单例对象延迟加载）

public class SingletonDemo2 {

    //类初始化时，不初始化这个对象（延时加载，真正用的时候再创建）。
    private static SingletonDemo2 instance;  

    private SingletonDemo2(){ //私有化构造器
    }

    //方法同步，调用效率低！
    public static  synchronized SingletonDemo2  getInstance(){
        if(instance==null){
            instance = new SingletonDemo2();
        }
        return instance;
    }

}

要点：
    lazy load! 延迟加载， 懒加载！ 真正用的时候才加载！
问题：
    资源利用率高了。但是，每次调用getInstance()方法都要同步，并发效率较低。

三、双重检查锁实现单例模式

public class SingletonDemo3 { 

  private static SingletonDemo3 instance = null; 

  public static SingletonDemo3 getInstance() {
    if (instance == null) {
      SingletonDemo3 sc;
      synchronized (SingletonDemo3.class) {
        sc = instance;
        if (sc == null) {
          synchronized (SingletonDemo3.class) {
            if(sc == null) {
              sc = new SingletonDemo3();
            }
          }
          instance = sc;
        }
      }
    }
    return instance;
  } 

  private SingletonDemo3() { 

  } 

}

这个模式将同步内容下方到if内部，提高了执行的效率不必每次获取对象时都进行同步，只有第一次才同步创建了以后就没必要了。

问题：

由于编译器优化原因和JVM底层内部模型原因，

偶尔会出问题。不建议使用。

四、静态内部类实现方式(也是一种懒加载方式)

public class SingletonDemo4 {

    private static class SingletonClassInstance {
        private static final SingletonDemo4 instance = new SingletonDemo4();
    }

    private SingletonDemo4(){
    }

    //方法没有同步，调用效率高！
    public static SingletonDemo4  getInstance(){
        return SingletonClassInstance.instance;
    }

}

要点：

外部类没有static属性，则不会像饿汉式那样立即加载对象。

只有真正调用getInstance(),才会加载静态内部类。加载类时是线程 安全的。 instance是static final类型，保证了内存中只有这样一个实例存在，而且只能被赋值一次，从而保证了线程安全性.

兼备了并发高效调用和延迟加载的优势！

五、使用枚举实现单例模式

public enum SingletonDemo5 {

    //这个枚举元素，本身就是单例对象！
    INSTANCE;

    //添加自己需要的操作！
    public void singletonOperation(){
    }

}

优点： 实现简单 枚举本身就是单例模式。由JVM从根本上提供保障！避免通过反射和反序列化的漏洞！

缺点： 无延迟加载

常见的五种单例模式在多线程环境下的效率测试

CountDownLatch

同步辅助类，在完成一组正在其他线程中执行的操作之前，它允许一个或多个线程一直等待。

countDown() 当前线程调此方法，则计数减一(建议放在 finally里执行)

await()， 调用此方法会一直阻塞当前线程，直到计时器的值为0

public static void main(String[] args) throws Exception {

        long start = System.currentTimeMillis();
        int threadNum = 10;
        final CountDownLatch  countDownLatch = new CountDownLatch(threadNum);

        for(int i=0;i<threadNum;i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0;i<1000000;i++){
                        //Object o = SingletonDemo4.getInstance();
                        Object o = SingletonDemo5.INSTANCE;
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        countDownLatch.await();    //main线程阻塞，直到计数器变为0，才会继续往下执行！
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("总耗时："+(end-start));
    }

总结

主要：

饿汉式（线程安全，调用效率高。 但是，不能延时加载。）

懒汉式（线程安全，调用效率不高。 但是，可以延时加载。）

其他：

双重检测锁式（由于JVM底层内部模型原因，偶尔会出问题。不建议使用）

静态内部类式(线程安全，调用效率高。 但是，可以延时加载)

枚举式(线程安全，调用效率高，不能延时加载。并且可以天然的防止反射和反序列化漏洞！)

如何选用?

单例对象 占用 资源 少，不需要 延时加载：

枚举式 好于 饿汉式

单例对象 占用 资源 大，需要 延时加载：

静态内部类式 好于 懒汉式