单例模式

单例模式是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中一个类只有一个实例

数学与逻辑学中，singleton定义为“有且仅有一个元素的集合”。

单例模式最初的定义出现于《设计模式》（艾迪生维斯理, 1994）：“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。”

Java中单例模式定义：“一个类有且仅有一个实例，并且自行实例化向整个系统提供。”

Java单例模式例子

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

简介

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单例模式的静态结构图

单例模式是设计模式中最简单的形式之一。这一模式的目的是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。要实现这一点，可以从客户端对其进行实例化开始。因此需要用一种只允许生成对象类的唯一实例的机制，“阻止”所有想要生成对象的访问。使用工厂方法来限制实例化过程。这个方法应该是静态方法（类方法），因为让类的实例去生成另一个唯一实例毫无意义。 [2]  

Static uniqueInstance是singleton的唯一实例, static sharedInstance将把它返回客户端。通常，sharedInstance会检查uniqueInstance是否已经被实例化。如果没有，它会生成一个实例然后返回uniqueInstance。 [2]  

动机

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对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID(序号)生成器。如在Windows中就只能打开一个任务管理器。如果不使用机制对窗口对象进行唯一化，将弹出多个窗口，如果这些窗口显示的内容完全一致，则是重复对象，浪费内存资源；如果这些窗口显示的内容不一致，则意味着在某一瞬间系统有多个状态，与实际不符，也会给用户带来误解，不知道哪一个才是真实的状态。因此有时确保系统中某个对象的唯一性即一个类只能有一个实例非常重要。 [3]  

如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。 [3]  

要点

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显然单例模式的要点有三个；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。

从具体实现角度来说，就是以下三点：一是单例模式的类只提供私有的构造函数，二是类定义中含有一个该类的静态私有对象，三是该类提供了一个静态的公有的函数用于创建或获取它本身的静态私有对象。

在下面的对象图中，有一个"单例对象"，而"客户甲"、"客户乙" 和"客户丙"是单例对象的三个客户对象。可以看到，所有的客户对象共享一个单例对象。而且从单例对象到自身的连接线可以看出，单例对象持有对自己的引用。

一些 资源管理器常常设计成单例模式。

在计算机系统中，需要管理的资源包括软件外部资源，譬如每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler， 以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干传真卡，但是只应该有一个软件负责管理传真卡，以避免出现两份传真作业同时传到传真卡中的情况。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。

需要管理的资源包括软件内部资源，譬如，大多数的软件都有一个（甚至多个）属性（properties）文件存放系统配置。这样的系统应当由一个对象来管理一个属性文件。

需要管理的软件内部资源也包括譬如负责记录网站来访人数的部件，记录软件系统内部事件、出错信息的部件，或是对系统的表现进行检查的部件等。这些部件都必须集中管理，不可整出多头。

这些资源管理器构件必须只有一个实例，这是其一；它们必须自行初始化，这是其二；允许整个系统访问自己这是其三。因此，它们都满足单例模式的条件，是单例模式的应用。

优缺点

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优点

一、实例控制

单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。

二、灵活性

因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。

缺点

一、开销

虽然数量很少，但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。

二、可能的开发混淆

使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用 new关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。

三、对象生存期

不能解决删除单个对象的问题。在提供内存管理的语言中（例如基于.NET Framework的语言），只有单例类能够导致实例被取消分配，因为它包含对该实例的私有引用。在某些语言中（如 C++），其他类可以删除对象实例，但这样会导致单例类中出现悬浮引用。

实例

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Java

当一个类的实例可以有且只可以一个的时候就需要用到了。为什么只需要有一个呢？有人说是为了节约内存，但这只是单例模式带来的一个好处。只有一个实例确实减少内存占用，可是我认为这不是使用 单例模式的理由。我认为使用 单例模式的时机是当实例存在多个会引起程序逻辑错误的时候。比如类似有序的号码生成器这样的东西，怎么可以允许一个应用上存在多个呢？

Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在。

一般Singleton模式通常有三种形式:

第一种形式:懒汉式，也是常用的形式。

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

第二种形式:饿汉式

//对第一行static的一些解释
// java允许我们在一个类里面定义静态类。比如内部类（nested class）。
//把nested class封闭起来的类叫外部类。
//在java中，我们不能用static修饰顶级类（top level class）。
//只有内部类可以为static。
public  class  Singleton{
    //在自己内部定义自己的一个实例，只供内部调用
    private  static  final Singleton instance =  new  Singleton();
    private  Singleton(){
        //do something
    }
    //这里提供了一个供外部访问本class的静态方法，可以直接访问
    public  static  Singleton getInstance(){
        return  instance;
    }
}

第三种形式: 双重锁的形式。

public  class  Singleton{
    private  static  Singleton instance= null ;
    private  Singleton(){
        //do something
    }
    public  static  Singleton getInstance(){
        if (instance== null ){
            synchronized(Singleton. class ){
                if ( null ==instance){
                    instance= new  Singleton();
                }
            }
        }
        return  instance;
    }
}

//这个模式将同步内容下方到if内部，提高了执行的效率，不必每次获取对象时都进行同步，只有第一次才同步，创建了以后就没必要了。

第一种（懒汉，线程不安全）：

 

Java代码  

1. public class Singleton {  
2.     private static Singleton instance;  
3.     private Singleton (){}  
4.   
5.     public static Singleton getInstance() {  
6.     if (instance == null) {  
7.         instance = new Singleton();  
8.     }  
9.     return instance;  
10.     }  
11. }  

 

 这种写法lazy loading很明显，但是致命的是在多线程不能正常工作。

第二种（懒汉，线程安全）：

 

Java代码  

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

 

 这种写法能够在多线程中很好的工作，而且看起来它也具备很好的lazy loading，但是，遗憾的是，效率很低，99%情况下不需要同步。

第三种（饿汉）：

 

Java代码  

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

 

 这种方式基于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。

第四种（饿汉，变种）：

 

Java代码  

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

 

 表面上看起来差别挺大，其实更第三种方式差不多，都是在类初始化即实例化instance。

第五种（静态内部类）：

 

Java代码  

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. }  

 

这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟第三种和第四种方式不同的是（很细微的差别）：第三种和第四种方式是只要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，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保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，这种方式相比第三和第四种方式就显得很合理。

第六种（枚举）：

 

Java代码  

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

 

 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，而且还能防止反序列化重新创建新的对象，可谓是很坚强的壁垒啊，不过，个人认为由于1.5中才加入enum特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，我也很少看见有人这么写过。

第七种（双重校验锁）：

Java代码  

1. public class Singleton {  
2.     private volatile static Singleton singleton;  
3.     private Singleton (){}  
4.     public static Singleton getSingleton() {  
5.     if (singleton == null) {  
6.         synchronized (Singleton.class) {  
7.         if (singleton == null) {  
8.             singleton = new Singleton();  
9.         }  
10.         }  
11.     }  
12.     return singleton;  
13.     }  
14. }  

 

 这个是第二种方式的升级版，俗称双重检查锁定，详细介绍请查看：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-dcl.html

在JDK1.5之后，双重检查锁定才能够正常达到单例效果。

 

总结

有两个问题需要注意：

1.如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取，例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类装载器，这样的话如果有两个servlet访问一个单例类，它们就都会有各自的实例。

2.如果Singleton实现了java.io.Serializable接口，那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样，如果你序列化一个单例类的对象，接下来复原多个那个对象，那你就会有多个单例类的实例。

对第一个问题修复的办法是：

 

Java代码  

1. private static Class getClass(String classname)      
2.                                          throws ClassNotFoundException {     
3.       ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();     
4.       
5.       if(classLoader == null)     
6.          classLoader = Singleton.class.getClassLoader();     
7.       
8.       return (classLoader.loadClass(classname));     
9.    }     
10. }  

 对第二个问题修复的办法是：

 

Java代码  

1. public class Singleton implements java.io.Serializable {     
2.    public static Singleton INSTANCE = new Singleton();     
3.       
4.    protected Singleton() {     
5.         
6.    }     
7.    private Object readResolve() {     
8.             return INSTANCE;     
9.       }    
10. }   

 

对我来说，我比较喜欢第三种和第五种方式，简单易懂，而且在JVM层实现了线程安全（如果不是多个类加载器环境），一般的情况下，我会使用第三种方式，只有在要明确实现lazy loading效果时才会使用第五种方式，另外，如果涉及到反序列化创建对象时我会试着使用枚举的方式来实现单例，不过，我一直会保证我的程序是线程安全的，而且我永远不会使用第一种和第二种方式，如果有其他特殊的需求，我可能会使用第七种方式，毕竟，JDK1.5已经没有双重检查锁定的问题了。

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不过一般来说，第一种不算单例，第四种和第三种就是一种，如果算的话，第五种也可以分开写了。所以说，一般单例都是五种写法。懒汉，恶汉，双重校验锁，枚举和静态内部类。

我很高兴有这样的读者，一起共勉。