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单例模式 ( Singleton Pattern )

单例模式（Singleton Pattern）提供了一种创建对象的最佳方式

单例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

单例模式设计要点

  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

单例模式属于创建型模式

摘要

  1. 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

  2. 主要解决：

    一个全局使用的类频繁地创建与销毁

  3. 何时使用：

    当您想控制实例数目，节省系统资源的时候

  4. 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

  5. 关键代码：

    构造函数是私有的

  6. 应用实例：

    1. 一个党只能有一个主席

    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

  7. 优点：

    1. 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）

    2. 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）

  8. 缺点：

    没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化

  9. 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

  10. 注意事项：

    getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化

实现

单例模式

  1. 创建一个 SingleObject 类，SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例 SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例

  2. SingletonPatternDemo 使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象

范例

1. 创建一个 Singleton 类

SingleObject.java 

// author: 简单教程(www.twle.cn)
// Copyright © 2015-2065 www.twle.cn. All rights reserved.

package cn.twle.gof;


public class SingleObject {

   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();

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

   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }

   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

2. 从 singleton 类获取唯一的对象

SingletonPatternDemo.java 

// author: 简单教程(www.twle.cn)
// Copyright © 2015-2065 www.twle.cn. All rights reserved.

package cn.twle.gof;


public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {

      //不合法的构造函数
      //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();

      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();

      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

编译运行以上 Java 范例，输出结果如下

$ javac -d . src/main/cn/twle/gof/SingletonPatternDemo.java
$ java  cn.twle.gof.SingletonPatternDemo
Hello World!

单例模式的几种实现方式

1. 懒汉式，线程不安全

  1. 是否 Lazy 初始化： 是

  2. 是否多线程安全： 否

  3. 实现难度： 易

  4. 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 Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  

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

下面几种都是线程安全的，支持多线程，但是在性能上有所差异

# 2. 懒汉式，线程安全

  1. 是否 Lazy 初始化： 是

  2. 是否多线程安全： 是

  3. 实现难度： 易

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

3. 饿汉式

  1. 是否 Lazy 初始化： 否

  2. 是否多线程安全： 是

  3. 实现难度： 易

  4. 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 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

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

4. 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

  1. JDK 版本： JDK1.5 起

  2. 是否 Lazy 初始化： 是

  3. 是否多线程安全： 是

  4. 实现难度： 较复杂

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

5. 登记式/静态内部类

  1. 是否 Lazy 初始化： 是

  2. 是否多线程安全： 是

  3. 实现难度： 一般

  4. 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 classloder 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，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 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 Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
    return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

6. 枚举

  1. JDK 版本： JDK1.5 起

  2. 是否 Lazy 初始化： 否

  3. 是否多线程安全： 是

  4. 实现难度： 易

  5. 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 Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

最佳实战

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

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