设计模式(2)--Singleton--单例模式--创建型

1.模式定义:

　　单例模式确保一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

2.模式特点:

　(1)单例类只能有一个实例。

　(2)单例类必须自己创建自己的唯一实例。

　(3)单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

3.使用场景:

　　定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

(1)需要频繁实例化然后销毁的对象。

(2)创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象。

(3)有状态的工具类对象。

(4)频繁访问数据库或文件的对象。

(5)以及其他我没用过的所有要求只有一个对象的场景。

4.模式实现(八种方式):

　　(1)饿汉式（静态常量）[可用]

public class Singleton { 

　　private final static Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
　　private Singleton(){} 
　　public static Singleton getInstance(){ 
　　　　return INSTANCE; 
　　} 
}

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

　　(2)饿汉式（静态代码块）[可用]

public class Singleton { 
　　private static Singleton instance; 
　　static {
　　　　instance = new Singleton(); 
　　} 
　　private Singleton() {}
　　public Singleton getInstance() {
　　 　return instance; 
　　} 
}

这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

　　(3)懒汉式(线程不安全)[不可用]

public class Singleton {
　　private static Singleton singleton; 
　　private Singleton() {} 
　　public static Singleton getInstance() {
 　　　 if (singleton == null) {
 　　　　　　singleton = new Singleton(); 
　　　　} 
　　　　return singleton; 
　　} 
}

这种写法起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

　　(4)懒汉式(线程安全，同步方法)[不推荐用]

public class Singleton {
　　private static Singleton singleton; 
　　private Singleton() {} 
　　public static synchronized Singleton getInstance() { 
　　　　if (singleton == null) { 
　　　　　　singleton = new Singleton(); 
　　　　} 
　　　　return singleton; 
　　} 
}

优点：解决上面第三种实现方式的线程不安全问题，做个线程同步就可以了，于是就对getInstance()方法进行了线程同步。

缺点：效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低要改进。

　　(5)懒汉式(线程安全，同步代码块)[不可用]

public class Singleton { 
　　private static Singleton singleton;
　　private Singleton() {} 
　　public static Singleton getInstance() { 
　　　　if (singleton == null) { 
　　　　　　synchronized (Singleton.class) { 
　　　　　　　　singleton = new Singleton(); 
　　　　　　} 
　　　　} 
　　　　return singleton; 
　　} 
}

由于第四种实现方式同步效率太低，所以摒弃同步方法，改为同步产生实例化的的代码块。但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。

　　(6)双重检查[推荐用]

public class Singleton { 
　　private static volatile Singleton singleton; 
　　private Singleton() {} 
　　public static Singleton getInstance() { 
　　　　if (singleton == null) {
　　　　　　synchronized (Singleton.class) { 
　　　　　　　　if (singleton == null) { 
　　　　　　　　　　singleton = new Singleton();
　　　　　　　　} 
　　　　　　} 
　　　　} 
　　　　return singleton; 
　　} 
}

Double-Check概念对于多线程开发者来说不会陌生，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)，直接return实例化对象。

优点：线程安全；延迟加载；效率较高。

　　(7).静态内部类[推荐用]

public class Singleton { 
　　private Singleton() {} 
　　private static class SingletonInstance { 
　　　　private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
　　} 
　　public static Singleton getInstance() {
　　　　return SingletonInstance.INSTANCE; 
　　} 
}

这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要Singleton类被装载就会实例化，没有Lazy-Loading的作用，而静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。

类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。

优点：避免了线程不安全，延迟加载，效率高。

　　(8).枚举[推荐用]

public enum Singleton { 
　　INSTANCE; 
　　public void whateverMethod() { } 
}

借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。可能是因为枚举在JDK1.5中才添加，所以在实际项目开发中，很少见人这么写过。

 

5.优缺点:

(1)单例模式的优点：

[1]在内存中只有一个对象，节省内存空间。

[2]避免频繁的创建销毁对象，可以提高性能。

[3]避免对共享资源的多重占用。

[4]可以全局访问。

[5]灵活性:因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。

[6]实例控制:会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。

(2)单例模式的缺点：

[1]开销:虽然数量很少，但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。

[2]可能的开发混淆:使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用new关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。

[3]对象生存期:不能解决删除单个对象的问题。

6.注意事项

(1)只能使用单例类提供的方法得到单例对象，不要使用反射，否则将会实例化一个新对象。

(2)不要做断开单例类对象与类中静态引用的危险操作。

(3)多线程使用单例使用共享资源时，注意线程安全问题。

7.相关问题

(1)单例模式的对象长时间不用会被jvm垃圾收集器收集吗

       　　除非人为地断开单例中静态引用到单例对象的联接，否则jvm垃圾收集器是不会回收单例对象的。

(2)在一个jvm中会出现多个单例吗

       　　 在分布式系统、多个类加载器、以及序列化的的情况下，会产生多个单例，这一点是无庸置疑的。那么在同一个jvm中，会不会产生单例呢？使用单例提供的getInstance()方法只能得到同一个单例，除非是使用反射方式，将会得到新的单例。代码如下

Class c = Class.forName(Singleton.class.getName());
Constructor ct = c.getDeclaredConstructor();
ct.setAccessible(true);
Singleton singleton = (Singleton)ct.newInstance();  

 

　　　　这样，每次运行都会产生新的单例对象。所以运用单例模式时，一定注意不要使用反射产生新的单例对象。

 

(3)懒汉式单例线程安全吗

       　　 主要是网上的一些说法，懒汉式的单例模式是线程不安全的，即使是在实例化对象的方法上加synchronized关键字，也依然是危险的，但是笔者经过编码测试，发现加synchronized关键字修饰后，虽然对性能有部分影响，但是却是线程安全的，并不会产生实例化多个对象的情况。

　　(4)单例模式只有饿汉式和懒汉式两种吗

      　　  饿汉式单例和懒汉式单例只是两种比较主流和常用的单例模式方法，从理论上讲，任何可以实现一个类只有一个实例的设计模式，都可以称为单例模式。

 

(5)单例类可以被继承吗

     　　   饿汉式单例和懒汉式单例由于构造方法是private的，所以他们都是不可继承的，但是其他很多单例模式是可以继承的，例如登记式单例。

 

(6)饿汉式单例好还是懒汉式单例好

    　　    在java中，饿汉式单例要优于懒汉式单例。C++中则一般使用懒汉式单例。