03 设计模式-创造型模式-单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

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。

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。

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。

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文章目录

[1 概要](#1 概要)
[2 实现](#2 实现)
[3 Demo代码](#3 Demo代码)
- [3.1 懒汉式，线程不安全](#3.1 懒汉式，线程不安全)
- [3.2 懒汉式，线程安全](#3.2 懒汉式，线程安全)
- [3.3 饿汉式](#3.3 饿汉式)
- [3.4 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）](#3.4 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）)
- [3.5 登记式/静态内部类](#3.5 登记式/静态内部类)
- [3.6 枚举](#3.6 枚举)
[4 开发案例](#4 开发案例)

1 概要

意图

确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。

主要解决

频繁创建和销毁全局使用的类实例的问题。

何时使用

当需要控制实例数目，节省系统资源时。

如何解决

检查系统是否已经存在该单例，如果存在则返回该实例；如果不存在则创建一个新实例。

关键代码

构造函数是私有的。

应用实例

一个班级只有一个班主任。
Windows 在多进程多线程环境下操作文件时，避免多个进程或线程同时操作一个文件，需要通过唯一实例进行处理。
设备管理器设计为单例模式，例如电脑有两台打印机，避免同时打印同一个文件。

优点

内存中只有一个实例，减少内存开销，尤其是频繁创建和销毁实例时（如管理学院首页页面缓存）。
避免资源的多重占用（如写文件操作）。

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，而不关心实例化方式。
使用场景
生成唯一序列号。
WEB 中的计数器，避免每次刷新都在数据库中增加计数，先缓存起来。
创建消耗资源过多的对象，如 I/O 与数据库连接等。

注意事项

线程安全： 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实例被多次创建。
延迟初始化： 实例在第一次调用 getInstance() 方法时创建。
序列化和反序列化： 重写 readResolve 方法以确保反序列化时不会创建新的实例。
反射攻击： 在构造函数中添加防护代码，防止通过反射创建新实例。
类加载器问题： 注意复杂类加载环境可能导致的多个实例问题。

结构

单例模式包含以下几个主要角色：

单例类： 包含单例实例的类，通常将构造函数声明为私有。
静态成员变量： 用于存储单例实例的静态成员变量。
获取实例方法： 静态方法，用于获取单例实例。
私有构造函数： 防止外部直接实例化单例类。
线程安全处理： 确保在多线程环境下单例实例的创建是安全的。

2 实现

我们将创建一个 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。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

创建一个 Singleton 类。

java 复制代码

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!");
   }
}

从 singleton 类获取唯一的对象。

java 复制代码

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();
   }
}

3 Demo代码

3.1 懒汉式，线程不安全

java 复制代码

/*
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 Singleton_1 {
    private static Singleton_1 instance;

    private Singleton_1() {
    }

    public static Singleton_1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton_1();
        }
        return instance;
    }
}

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。

3.2 懒汉式，线程安全

java 复制代码

/*
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 Singleton_2 {
    private static Singleton_2 instance;

    private Singleton_2() {
    }

    public static synchronized Singleton_2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton_2();
        }
        return instance;
    }
}

3.3 饿汉式

java 复制代码

/*
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 Singleton_3 {
    private static Singleton_3 instance = new Singleton_3();

    private Singleton_3() {
    }

    public static Singleton_3 getInstance() {
        return instance;
    }
}

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

java 复制代码

/*
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 Singleton_4 {
    private volatile static Singleton_4 singleton;

    private Singleton_4() {
    }

    public static Singleton_4 getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton_4.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton_4();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

3.5 登记式/静态内部类

java 复制代码

/*
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 Singleton_5 {
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton_5 INSTANCE = new Singleton_5();
    }

    private Singleton_5() {
    }

    public static final Singleton_5 getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

3.6 枚举

java 复制代码

/*
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  Singleton_6 {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {
        System.out.println("whateverMethod");
    }
}

4 开发案例

算法执行服务创建hdfs连接，使用的单例模式，初始化一下

java 复制代码

public class HdfsConnection {
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(HdfsConnection.class);

    private static HdfsConnection instance;

    /**
     * Gets instance.
     *
     * @return the instance
     */
    public static synchronized HdfsConnection getInstance(String installScenarios) {
        if (instance != null) {
            return instance;
        }
        return instance = new HdfsConnection(installScenarios);
    }

    private FileSystem fs;

    private HdfsConnection(String installScenarios) {
        LOGGER.info("Init HDFS Connection start!");
        // 读取配置
        HdfsConfig hdfsConfig = ReadHdfsConfig.getHdfsConfig(installScenarios);
        LOGGER.info("hdfsConfig: {} ", JSON.toJSONString(hdfsConfig));
        if (Objects.isNull(hdfsConfig)) {
            LOGGER.error("HdfsConfig is null");
            throw new CommonServiceException(AIModelError.HDFS_EXCEPTION);
        }

        // 设置配置
        Configuration conf = new Configuration();
        LOGGER.info("conf: {} ", JSON.toJSONString(conf));
        UserGroupInformation.setConfiguration(conf);

        // 初始化文件系统连接
        try {
            UserGroupInformation.loginUserFromKeytab(hdfsConfig.getOssuser(), hdfsConfig.getOssuserKeytab());
            fs = FileSystem.get(conf);
        } catch (Exception exp) {
            LOGGER.error("Init HDFS Connection failure!");
            throw new CommonServiceException(AIModelError.HDFS_EXCEPTION, exp);
        }
        LOGGER.info("Init HDFS Connection Success!");
    }

    /**
     * Gets hadoop fs.
     *
     * @return the hadoop fs
     */
    public FileSystem getHadoopFs() {
        return fs;
    }
}

使用

java 复制代码

    public boolean upload(String localFile, String hdfsPath) {
        try {
            mkParentDir(hdfsPath);
            FileSystem fs = HdfsConnection.getInstance(installScenarios).getHadoopFs();
            fs.copyFromLocalFile(new Path(localFile), new Path(hdfsPath));
            LOGGER.info("upload file success!");
            return true;
        } catch (Exception exp) {
            LOGGER.error("upload file failure!");
            throw new CommonServiceException(AIModelError.HDFS_EXCEPTION, exp);
        }
    }