设计模式之单例模式详解

单例模式

描述：单例（Singleton）模式的定义：指一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例的一种模式。

核心特点

单例类只有一个实例对象；
该单例对象必须由单例类自行创建；
单例类对外提供 一个访问该单例的全局访问点。

实现方式

通常，普通类的构造函数是公有的，外部类可以通过"new 构造函数()"来生成多个实例。但是，如果将类的构造函数设为私有的，外部类就无法调用该构造函数，也就无法生成多个实例。这时该类自身必须定义一个静态私有实例，并向外提供一个静态的公有函数用于创建或获取该静态私有实例。

角色功能

单例类：包含一个实例且能自行创建这个实例的类。
访问类：使用单例的类。

类图：

优点：

单例模式可以保证内存里只有一个实例，避免重复创建和销毁，减少了内存的开销。
可以避免对资源的多重占用。
单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。

缺点：

单例模式一般没有接口，扩展困难。如果要扩展，则除了修改原来的代码，没有第二种途径，违背开闭原则。
在并发测试中，单例模式不利于代码调试。在调试过程中，如果单例中的代码没有执行完，也不能模拟生成一个新的对象。
单例模式的功能代码通常写在一个类中，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则。

实现代码：

实现要点：private修饰默认构造函数、private static修饰实例对象、public static修饰获取实例的方法

懒汉式单例

该模式的特点是类加载时没有生成单例，只有当第一次调用 getlnstance 方法时才去创建这个单例，第一次用到才创建实例，所以叫懒汉（这其实是优点）。

特点：

实现简单
首次使用时才创建对象实例（实现了懒加载）
若想实现线程安全则必须使用synchronized，效率较低

java 复制代码

public class LazySingleton {
    private static volatile LazySingleton instance = null;    //保证 instance 在所有线程中同步

    private LazySingleton() {
    }    //private 避免类在外部被实例化

    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        //getInstance 方法前加同步
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

双重校验机制

属于懒汉式的拓展实现

特点：

能实现懒加载，也是线程安全的，且效率较高
实现复杂，需要两次校验（进入同步块后还要校验一次）

java 复制代码

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;  
    }  
}

问：为什么synchronized语句不把第一个if判断语句要包括进去？

答：包括进去就和synchronized方法没区别了，效率很低。

问：为什么synchronized语句块创建实例对象前还要再判断一次实例是否被创建？

答：为了保证实例只被创建一次。如果初始实例为null时，有多个线程进入到第一个判断语句并竞争锁，拿到锁的线程如果已经创建了实例后，后续拿到锁的线程就不能再创建了，所以要再判断一次。换句话说synchronized去修饰实例创建语句时候，只能保证同时刻只有一个在创建，而不能保证后续没有别的线程去创建。

饿汉式单例

该模式的特点是类一旦加载就创建一个单例，保证在调用 getInstance 方法之前单例已经存在了，它是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题。

特点：

类加载时就创建好对象实例，也就是不管是否用到都初始化，浪费内存
天然的线程安全，不需要使用到锁

java 复制代码

public class HungrySingleton {
    //类加载时就会创建实例化对象
    private static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
    
    private HungrySingleton() {
    }

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

静态内部类

属于饿汉式的拓展，解决饿汉式无法实现懒加载问题，能实现和双重校验机制一样的效果。

在单例类里面创建一个SingletonHolder内部静态类，外部的单例类被加载时不会立马初始化内部静态类，只有去调用内部静态类的静态成员或静态方法才会触发类的加载，也能够实现第一次用到时才加载，也就是懒加载。

java 复制代码

public class Singleton {  
    //内部静态类，单例类加载时不会立马初始化，只有访问内部静态变量时才初始化
    private static class SingletonHolder {  
    	private static Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    //空的构造方法
    private Singleton (){
        
    }  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

枚举式

单例模式的最佳方法，非常简洁、高效、线程安全、支持序列化机制、无法被反射机制破解（其它方式都可以）。

java 复制代码

    public enum Singleton {
        INSTANCE;  // 枚举里的属性相当于Singleton的实例
        private Person instance;

        Singleton() {// 私有构造函数 默认是 private
            instance = new Person(); // 在构造函数中完成实例化操作
        }

        public static Person getInstance() {// 提供公有方法对其访问
            return instance;
        }
    }
    // 在外部使用Singleton.INSTANCE.getInstance();来调用
}

如何选？

懒汉式要么线程不安全，要么效率低，要么实现复杂，不建议使用。
如果单例对象占用资源大，需要懒加载 ，建议用内部静态类方式（优于懒汉式）。
如果单例对象占用资源小，不需要懒加载 ，建议用枚举式（优于饿汉式）。

应用场景

对于 Java来说，单例模式可以保证在一个 JVM 中只存在单一实例。单例模式的应用场景主要有以下几个方面。

某类需要频繁创建销毁 ，且资源消耗又比较大 的对象，如线程池 、数据库连接池、配置文件、日志管理等，单例可提高性能和节省资源。
当对象需要多线程共享访问的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，能够保证线程安全性且达到共享目的。
外部和内部资源管理 。对于管理外部打印机、回收站 、内部属性文件的系统，单例模式可以确保这些资源被系统中的唯一实例所管理。
对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。