单例模式

为什么会有?

   

根据面向对象的原则呢?有些实例在生活中是只能有一个的,比如说 太阳,我们绝对不允许对太阳进行随便new,因为正常情况下只能有一个太阳,我们在地球任何地方看到的太阳必须是同一个,这就是单例模式存在的意义

。

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。

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）。

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。

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。

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

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，我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

单例模式的 UML 图

步骤 1

创建一个 Singleton 类。

SingleObject.java

1. public class SingleObject {
2. //创建 SingleObject 的一个对象
3. private static SingleObject instance = new SingleObject();
4. //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
5. private SingleObject(){}
6. //获取唯一可用的对象
7. public static SingleObject getInstance(){
8. return instance;
9. }
10. public void showMessage(){
11. System.out.println("Hello World!");
12. }
13. }

步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。

SingletonPatternDemo.java

1. public class SingletonPatternDemo {
2. public static void main(String[] args) {
3. //不合法的构造函数
4. //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
5. //SingleObject object = new SingleObject();
6. //获取唯一可用的对象
7. SingleObject object = SingleObject.getInstance();
8. //显示消息object.showMessage();
9. }
10. }

步骤 3

验证输出。

1. Hello World!

单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，如下所示：

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。

代码实例：

1. public class Singleton {
2. private static Singleton instance;
3. private Singleton (){}
5. public static Singleton getInstance() {
6. if (instance == null) {
7. instance = new Singleton();
8. }
9. return instance;
10. }
11. }

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。

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（懒装载：不在初始化时loading,而是推迟到必须loading时才进行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。该方法并不推荐,因为如果将其加上同步锁,会导致在其他线程创建对象时进入等待状态,影响性能.所以该方法适用于

getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）的情况。

1. 代码实例：
2. public class Singleton {
3. private static Singleton instance;
4. private Singleton (){}
5. //所有加上synchronized 和 块语句，在多线程访问的时候，同一时刻只能有一个线程能够用synchronized 修饰的方法 或者 代码块
6. public static synchronized Singleton getInstance() {
7. if (instance == null) {
8. instance = new Singleton();
9. }
10. return instance;
11. }
12. }

3、饿汉式(最常用,简单明了)

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 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。

代码实例：

1. public class Singleton {
2. private static Singleton instance = new Singleton();
3. private Singleton (){}
4. public static Singleton getInstance() {
5. return instance;
6. }
7. }

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。但是代码的形式很难看.

getInstance() 的性能对应用程序很关键。

代码实例：

1. public class Singleton {
2. //用volatile修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最的值。
3. private volatile static Singleton singleton;
4. private Singleton (){}
5. public static Singleton getSingleton() {
6. if (singleton == null) {
7. synchronized (Singleton.class) {
8. if (singleton == null) {
9. singleton = new Singleton();
10. }
11. }
12. }
13. return singleton;
14. }
15. }

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 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。(投机取巧的的方法,利用了java的内部类在使用时才会被加载的语言的特性)

代码实例：

1. public class Singleton {
2. private static class SingletonHolder {
3. private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
4. }
5. private Singleton (){}
6. public static final Singleton getInstance() {
7. return SingletonHolder.INSTANCE;
8. }
9. }

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。

代码实例：

1. public enum Singleton {
2. INSTANCE;
3. public void whateverMethod() {
4. }
5. }

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。

读取配置文件的单例模式实例:

1. package singleMode;
3. import java.io.File;
4. import java.io.FileInputStream;
6. import java.util.Properties;
8. public class Config {
10. /**
11. * 单例模式实例:
12. * 一个properties配置文件在一个项目中只能加载一次,
13. * 但是jdk为我们提供的property对象并不是单例的,如果配置文件需要用到多次,很容易造成多次创建的情况.
14. * 这里我们的解决方法是:写一个Config类是单例的,并对property进行封装
15. *
16. */
17. private Properties properties;
18. //public Config() {
19. // super();
20. //}
23. private static Config config = new Config();
25. //1.私有化构造方法;
26. private Config(){
27. properties =new Properties();
28. try {
29. properties.load(new FileInputStream(new File("src/singleMode/config.properties")));
30. //System.out.println("执行了Config的构造方法");
31. } catch (Exception e) {
32. e.printStackTrace();
33. throw new RuntimeException();
34. }
35. }
37. //2.创建共有的getInstance()方法
38. public static Config getInstance(){
39. return config;
40. }
43. public String getProperty(String key){
44. return properties.getProperty(key);
45. }
46. }