设计模式之单例模式

一、引例

单例模式是GoF23种设计模式的一种，也是最简单一种，用来解决对象创建的问题。我们在使用window操作系统的时候，按下ctrl+alt+del键，可以打开任务管理器，但是大家可以试试多次按下这三个键，能不能打开多个任务管理器，答案当然是否定的，电脑上很多软件，比如一些常见的音乐软件，视频软件都不能同时打开多个，你重复打开的话，显示的是已经在运行的那个程序，为什么要这样做呢？任务管理器就是用来管理操作系统正在运行的进程的，我们有一个就够了，多了无益，还浪费系统资源。读到这里我们明白了，我们通过控制实例的个数来实现控制并节约系统资源。
现在我们国家的政策也是一夫一妻制，你同时只能有一个女朋友，不能同时有多个，当然渣男除外，小姐姐们一定要擦亮双眼，远离渣男。在谈恋爱这个类中，GirlFriend这个对象是单例的，你只能创建一个。

愿得一人心，白首不分离

二、定义

为了能够准确的描述一个设计模式，我们必须先知道它的定义。
单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。
来划重点了，从这段话中，我们能读出单例模式有三个要点，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。

Ensure a class has only one instance and provide a global point of access to it

我们之前都是通过new操作符来进行手动的对象创建的，它没有实现对象的创建和使用分离不说，还可以随意的创建，不能控制实例的个数，所以在实现单例模式的时候，首先要确保不能够使用new操作符来创建对象，回忆一下，使用new操作符创建对象的时候，会调用这个对象的构造方法，那么我们就屏蔽掉这个方法，至少不能让外部使用，构造函数私有化可以很好解决这个问题，不让new了，那么我们应该怎样创建对象呢，记不记得我们之前学过静态工厂方法模式，在类里面写一个静态方法来返回对象，外部可以直接通过类名+方法名的方式来获取对象，那怎么能保证只有一个呢，我们在静态方法里面加个判断不就行了，如果存在这个类的对象就直接返回，不存在，就new了之后再返回，所以我们还需要在类中定义一个静态的属性来存储这个类的对象。

三、结构

单例模式只包含一个Singleton（单例角色）类：在单例类的内部实现只生成一个实例，同时它提供一个静态的getInstance()工厂方法，让客户可以使用它的唯一实例；为了防止在外部对其实例化，将其构造函数设计为私有；在单例类内部定义了一个Singleton类型的静态对象，作为外部共享的唯一实例。
下面看一下实现代码

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

为了测试单例类所创建对象的唯一性，可以编写如下客户端测试代码

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		Singleton s1 = Singleton.getInstance();
		Singleton s2 = Singleton.getInstance();
		System.out.println(s1 == s2);
	}
}

编译代码并运行，输出结果为

true

说明两次调用getInstance()时所获取的对象时同一个实例对象，且无法在外部对Singleton进行实例化，因而确保系统中只有唯一的一个Singleton对象。

四、效果与应用

优缺点

优点：
1.提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制，客户怎样以及何时访问它，并为设计及开发团队提供了共享的概念。
2.由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能。
3.允许可变数目的实例。基于单例模式我们可以进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。
缺点：
1.由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
2.单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。
3.滥用单例将带来一些负面问题。

适用环境

在生活中，我们选择一种事物的原因一般有两个，一是，我需要这个东西，这是主观上的，另一种是，我只能选择这个东西，这是被动的，表示没有别的选择，是否选择单例模式也是这样。
1.系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器，或者需要考虑资源消耗太大而之只允许创建一个对象。
2.客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。

应用

1.Java语言类库JDK中就有很多单例模式的应用实例，如java.lang.Runtime类。在每一个Java应用程序里面，都有唯一的一个Runtime对象，通过这个Runtime对象，应用程序可以与其运行环境发生相互作用。

public class Runtime {
	private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
	public static Runtime getRuntime() {
		return currentRuntime;
	}
	private Runtime() {}
}

咦，这个单例模式和我们刚才写的好像优点不一样，别着急，我们下面接着聊。
2.在流行的Java EE框架Spring中，当我们试图要从Spring容器中获取某个类的实例时，默认情况下，Spring会通过单例模式进行创建，也就是在Spring的bean工厂中这个bean的实例只有一个，代码如下

<bean id="date" class="java.util.Date" scope="singleton"/>

scope属性来控制对象创建的个数，默认值是singleton，单例创建。

五、扩展

饿汉式

饿汉式单例类是在Java语言中实现起来最为方便的单例类

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

在这个类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造函数会被调用，单例类的唯一实例将被创建。
开始我还在思考，为什么这样设计叫做饿汉式，想了很久，没有很好的解释，后来查了一下，原来是这样。

饿汉式是由the singleton instance is early created at complie time中的early音译过来的
懒汉式是由the singleton instance is lazily created at runtime中的lazily意译过来的

懒汉式

与饿汉式单例类相同之处是，懒汉式单例类的构造函数也是私有的。
与饿汉式单例类不同的是，懒汉式单例类在第一次被引用时将自己实例化，在懒汉式单例类被加载时不会将自己实例化。

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

懒汉式是在第一次调用这个方法的时候才创建，像一个懒人，你不催他他就不干，要催一下才能干活，方法调用就相当于催他的过程。
该懒汉式单例类实现静态工厂方法时使用了同步化机制，以处理多线程环境。
饿汉式单例类在自己被加载时就将自己实例化。单从资源利用效率角度来讲，这个比懒汉式稍差些；从反应速度和反应时间角度来讲，则比懒汉式单例类稍好些。然而，懒汉式单例类在实例化时，必须处理好在多个线程同时首次引用此类时的访问限制问题，特别时当单例类作为资源控制器，在实例化时必然涉及资源初始化，而资源初始化很有可能耗费大量时间，这意味这多个线程同时以用此类的几率变得较大，需要通过同步化机制进行控制。