设计模式：单例(Sigleton)模式

题目：设计一个类，我们只能生成该类的一个实例。 只能生成一个实例的类是实现了Singleton(单例)模式的类型。

相关知识：

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

• 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。

介绍

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：

• 1、一个班级只有一个班主任。
• 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
• 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

使用场景：

• 1、要求生产唯一序列号。
• 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
• 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

创建步骤：

1、创建一个单例类Singleton

2、让构造函数为私有private，这样该类就不会被实列化

3、提供一个static方法获取其唯一可用的对象。

实现1：懒汉式，线程不安全

/*
 * 1、懒汉式，线程不安全
 * 是否 Lazy 初始化：是
 * 是否多线程安全：否
 * 实现难度：易
 * 描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
 * 这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。
 **/
public class Singleton1 {
    private static Singleton1 instance; 

    private Singleton1(){}  //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化

    //获取唯一可用的对象
    public static Singleton1 getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton1(); //创建 Singleton 的一个对象
        }
        return instance;
    }
}

实现2：懒汉式，线程安全

/*
 * 2、懒汉式，线程安全
 * 是否 Lazy 初始化：是
 * 是否多线程安全：是
 * 实现难度：易
 * 描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
 * 优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
 * 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
 * getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。
 * */
public class Singleton2 {
    private static Singleton2 instance;
    private Singleton2(){}

    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton2();
        }
        return instance;
    }
}

实现3：饿汉式

/*
 * 3、饿汉式
 * 是否 Lazy 初始化：否
 * 是否多线程安全：是
 * 实现难度：易
 * 描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
 * 优点：没有加锁，执行效率会提高。
 * 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
 * 它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，
 * 虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，
 * 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。
 * */
public class Singleton3 {
    private static Singleton3 instance = new Singleton3();
    private Singleton3(){}

    public static Singleton3 getInstance(){
        return instance;
    }
}

实现4：双检锁/双重校验锁

/*
 * 4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
 * JDK 版本：JDK1.5 起
 * 是否 Lazy 初始化：是
 * 是否多线程安全：是
 * 实现难度：较复杂
 * 描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
 * getInstance() 的性能对应用程序很关键。
 * */
public class Singleton4 {
    private volatile static Singleton4 singleton;
    private Singleton4(){}

    public static Singleton4 getSingleton(){
        if(singleton == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton4();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

实现5：登记式/静态内部类

/*
 * 5、登记式/静态内部类
 * 是否 Lazy 初始化：是
 * 是否多线程安全：是
 * 实现难度：一般
 * 描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。
 * 对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。
 * 这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
 * 这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：
 * 第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），
 * 而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。
 * 因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。
 * 想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，
 * 因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。
 * */
public class Singleton5 {
    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton5 INSTANCE = new Singleton5();
    }
    private Singleton5(){}

    public static final Singleton5 getInstance(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

实现6：枚举

/*
 * 6、枚举
 * JDK 版本：JDK1.5 起
 * 是否 Lazy 初始化：否
 * 是否多线程安全：是
 * 实现难度：易
 * 描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。
 * 它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
 * 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，
 * 而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。
 * 不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
 * 不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。
 * */
public enum Singleton6 {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod(){

    }
}

经验之谈：一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

 应用

在JDK中，java.lang.Runtime就是经典的单例模式(饿汉式)

参考与推荐：

1、http://www.blogjava.net/kenzhh/archive/2016/03/28/357824.html