Java 设计模式 —— 单例模式

1. 概念：

单例模式是一种常用的软件设计模式。核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中一个类只有一个实例而且该实例易于外界访问，从而方便对实例个数的控制并节约系统资源。如果希望在系统中某个类的对象只能存在一个，单例模式是最好的解决方案。在Java中单例模式定义：“一个类有且仅有一个实例，并且自行实例化向整个系统提供。”这个模式的用途是:“实现在整个程序中类只会出现一个实例。”

Java单例模式例子

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

2. 动机

对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID(序号)生成器。如在Windows中就只能打开一个任务管理器。如果不使用机制对窗口对象进行唯一化，将弹出多个窗口，如果这些窗口显示的内容完全一致，则是重复对象，浪费内存资源；如果这些窗口显示的内容不一致，则意味着在某一瞬间系统有多个状态，与实际不符，也会给用户带来误解，不知道哪一个才是真实的状态。因此有时确保系统中某个对象的唯一性即一个类只能有一个实例非常重要。

如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？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。

3. 要点

显然单例模式的要点有三个；一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。从具体实现角度来说，就是以下三点：一是单例模式的类只提供私有的构造函数，二是类定义中含有一个该类的静态私有对象，三是该类提供了一个静态的公有的函数用于创建或获取它本身的静态私有对象。

4. 优缺点

优点：

实例控制 - 单例模式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。

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。

缺点:

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。

可能造成开发混淆 - 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。

5. 使用的时机

使用单例模式的时机是当实例存在多个会引起程序逻辑错误的时候。比如类似有序的号码生成器这样的东西，怎么可以允许一个应用上存在多个呢？Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在。

6. Singleton模式的三种形式:

第一种形式:懒汉式，也是常用的形式。

public class SingletonClass {
    private static SingletonClass instance=null;
    public static synchronized　SingletonClass getInstance() {
        if(instance==null) {
               instance=new SingletonClass();
        }
        return instance;
    }
    private SingletonClass() {
    }
}
// 必须要用synchronized来保证线程安全

第二种形式:饿汉式

//对第一行static的一些解释
// java允许我们在一个类里面定义静态类。比如内部类（nested class）。
//把nested class封闭起来的类叫外部类。
//在java中，我们不能用static修饰顶级类（top level class）。
//只有内部类可以为static。
public static class Singleton{
    //在自己内部定义自己的一个实例，只供内部调用
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton(){
        //do something
    }
    //这里提供了一个供外部访问本class的静态方法，可以直接访问
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

这种方式基于classloder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。

第三种形式: 双重锁的形式。

public static class Singleton{
    private static volatile Singleton instance=null;
    private Singleton(){
        //do something
    }
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
            synchronized(Singleton.class){
                if(null==instance){
                    instance=new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
//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

注：在这里使用到了 volatile 和 synchronized 两个同步原语，如果不用这两个可能会导致线程在生成对象的时候可能因为编译时的重排序出现内容的错误。

通过文章：多线程的通信和同步(Java并发编程的艺术--笔记)　可以了解一下Java并发编程中的同步原语和原子操作，然后结合双重校验锁进行深一步的理解。

Tip: 实现单例需要注意的事情:

1.构造函数必须为私有，同时单例类必须提供一个全局访问点。

2.分为懒汉式和饿汉式的单例类。

3.单例模式需要去解决多线程下面的同步问题和性能问题。