Java设计模式——单例模式

一、前言

本文是笔者自己在参考大神关于设计模式的讲解并学习后记的小记，只用于自己以后复习用，其他同学若想全面学习设计模式的种种，请移步下面原文链接：
http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8194653/

综述都摘自原文：
设计模式（Design pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 毫无疑问，设计模式于己于他人于系统都是多赢的，设计模式使代码编制真正工程化，设计模式是软件工程的基石，如同大厦的一块块砖石一样。项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题，每种模式在现在中都有相应的原理来与之对应，每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是它能被广泛应用的原因。

1、设计模式的分类

总体来说设计模式分为三大类：
创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。
结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。
行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。
其实还有两类：并发型模式和线程池模式。

2、设计模式的六大原则

1、开闭原则（Open Close Principle）
开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是：为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类，后面的具体设计中我们会提到这点。
2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）
里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。—— From Baidu 百科
3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）
这个是开闭原则的基础，具体内容：真对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。
4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）
这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。
5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）
为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。
6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）
原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

二、单例模式（Singleton）

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：
1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。
2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

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。
但是单例模式的创建方式又分一下几种。

1.懒汉模式

public class Singleton {  

    /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */  
    private static Singleton instance = null;  

    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton() {  
    }  

    /* 静态工程方法，创建实例，保证线程安全 */  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  

    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}  

懒汉式的特点是当需要用到的时候进行判断，需要创建的时候才创建，这样就实现了延迟加载，获得了空间上的盈余，但是由于使用了synchronized关键字锁住这个对象来保证了线程安全（不至于同时被多个线程尽心创建，导致生成了多个实例，违背了单例模式），这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了。

2.饿汉模式

public class Singleton {  

    /* 持有私有静态实例，直接进行实例化 */  
    private static Singleton instance = new Singleton();  

    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton() {  
    }  

    /* 静态工程方法，创建实例，保证线程安全 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  

    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}  

饿汉式基于classloder机制避免了多线程的同步问题，也节省下了每次都需要进行判断的资源占用，但是却占用了空间，实例本身为static的，会一直在内存中带着。
同样也可以使用static块儿来实现：

public class Singleton {  

    /* 持有私有静 */  
    private static Singleton instance = null;  

    /* 使用静态块在类加载时进行实例化 */  
    static{
        instance = new Singleton();
    }

    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton() {  
    }  

    /* 静态工程方法，创建实例，保证线程安全 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  

    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}  

亦可以采用内部类来实现：

public class Singleton {  

    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton() {  
    }  

    /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
    }  

    /* 获取实例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  

    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}  

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，它跟前两种方式不同的是（很细微的差别）：前两种方式是只要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SingletonFactory 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SingletonFactory 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，这种方式相比前两种方式就显得很合理。

3.总结

综上所述，单例模式理解起来还是比较简单的，但是运用的时候需要选择最适合自己的那种来设计还是有一定难度的，如果你的类非常庞大，加载需要耗费很多资源，所以你希望延迟加载，那么线程安全的懒汉模式以及使用内部类实例化的饿汉模式都是可以考虑的。具体还要考虑你的这个单例类的定位，它是否需要实现接口，时候需要被其他类继承。
若是没有特别要求，我还是比较偏向于使用内部类实现的饿汉模式，它在JVM自身的classloader机制下保证了线程安全，同时也只在被调用getInstance方法时才进行加载实现了延迟加载。不过，没有完美的，只是最适合的。