单例模式

资料借鉴：http://cantellow.iteye.com/blog/838473
类加载机制参考: https://www.jianshu.com/p/d9a6de11b346

简单介绍：

• 单例模式是一种经常用到的软件设计模式。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应用该模式的类只有一个实例。即一个类只有一个实例

定义：

• 一个类有且只有一个实例，并且自行实例化向整个系统提供。

特点：

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

实现方式：

• 一般来说，我们有以下几个必要的操作：
  1. 私有化构造方法；
  2. final类（定义为不可继承，这点书上没有提到，暂时还在研究）
  3. 将类的实例对象定义为一个私有的属性（不限制为成员变量）
  4. 通过getInstance（）方法获取实例，若私有的实例属性对象引用不为空则返回，否则实例化该属性并返回
• 这里先介绍五种实现方式
  1. 饿汉模式
  2. 懒汉模式
  3. 双重验证
  4. 静态内部类模式
  5. 枚举

具体实现

1. 饿汉模式

• 先看第一种方式，饿汉模式顾名思义，迫不及待的想要吃（初始化实例），在类中定义一个私有静态本类的实例化对象，在类加载的过程就进行此对象的实例化，之后的对此类实例的调用都是调用此实例。
• 代码如下：

public class Singleton2 {
    private static Singleton2 singleton2= new Singleton2();

    private Singleton2(){}

    public static Singleton2 getInstance() {
    return singleton2;
    }

    public static String getStr() {
    return "Create String type Object";
    }
}

• 饿汉模式是较为简单的实现方式，同样也是较为常用的方式。但他有着一定的缺陷：虽然在单例模式中大多都只调用getInstance（）方法，但不排除有其他的方式导致类加载，比如如果类中getStr()这种与类的实例无关的方法如果被调用，就会触发类加载，从而对静态成员进行初始化，但是此类有可能并不需要实例化，这样在某种程度上会造成一定的资源浪费。也就无法达到lazy loading的效果。

• 这就引入了懒汉模式

2. 懒汉模式

• 只有在第一此调用类的实例对象时才会初始化类的实例，从而实现延迟加载

• 代码如下

public class Singleton3 {
    private static Singleton3 singleton2 = null;

    private Singleton3(){
        Tools.println("类实例化");
    }

    public static synchronized Singleton3 getInstance(){
        if(singleton2 == null)
            singleton2 = new Singleton3();
        return singleton2;
    }

    public static void CreateString(){
        Tools.print("Create String in Singleton3");
    }
}

• 懒汉模式通过getInstance（）方法创建实例，这样只有在使用到实例的时候才会初始化实例对象，实现了延迟加载，但是这种模式会出现线程同步问题：一个线程调用了getInstace（）方法，判断为空后进行实例的创建，此时又有了一个线程调用了getInstance（）方法，但此刻第一个线程还没有完成实例化的操作，故此线程也会实例化一个对象。所以我们需要为getInstance（）方法加上同步关键字synchronized 。

• 那么问题来了，引入了同步关键字则会大大影响多线程情况下的性能，所以此方式也有这很大的缺陷。

• 下面就引入了双重检测方式

3. 双重检测方式

• 通过双重检测的方式完成延迟加载

• 代码如下：

class Singleton1 {
    public static Singleton1 instance = null;
    private Singleton1() {}

    public static Singleton1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton1.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton1();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

• 可以看到，首先判断实例对象是否为空，如果判断通过再进行同步操作。

• 这种方式是解决了懒汉模式的效率问题，但同时也有一些问题，第一次加载时反应不快，由于java内存模型一些原因偶尔失败。失败原因可以详见http://blog.csdn.net/chenchaofuck1/article/details/51702129

• 接下来引入一种已经较为完善并且使用较多的一种实现方式：静态内部类实现

4. 静态内部类实现

• 代码如下：

public class Singleton4 {
    private Singleton4(){}
    static class SingletonHolder {
        private static Singleton4 singleton = new Singleton4();
    }

    public static Singleton4 getInstance(){
        return SingletonHolder.singleton;
    }
}

• 此方式利用了：静态内部类并不会在外部类类加载的时候也进行类加载，而是在它自身第一次被使用时进行类加载，并且jvm的类加载过程是对线程非常友好的，所以我们不需要担心同步问题。

5. 枚举

• 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。
• 代码如下

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

问题

• 上述方法都是基本上实现了单例模式，但是依然有两个问题需要注意：

  1. 如果单例由不同的类装载器注入，那边有可能存在有多个单例类的实例。假如不是远端存取，假如一些servlet容器对每个servlet使用不同的类装载器，他们就会有个字的单例类的实例。
  2. 如果单例类实现了java.io.Serializable接口，那么此类的实例就可以被序列化和复原，如果序列化一个对象，然后复原多个此对象，就会出现多个单例类的实例。

• 关于此问题可以参照此文章：http://blog.csdn.net/fg2006/article/details/6409423

• 第一个问题的解决方法：

public class Singleton implements java.io.Serializable {
    public static Singleton INSTANCE = new Singleton();
    protected Singleton() {}

    private Object readResolve() {
        return INSTANCE;
    }
}

第二个问题的解决方法：

public class Singleton implements java.io.Serializable {
    public static Singleton INSTANCE = new Singleton();
    protected Singleton() {}

    private Object readResolve() {
        return INSTANCE;
    }
}

• 这两种方法是我从其他的博客上看来的，现在还在了解中。。。

应用场景：

• Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式（这个很熟悉吧），想想看，是不是呢，你能打开两个windows task manager吗？ 不信你自己试试看哦~

• windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。

• 网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。

• 应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。

• Web应用的配置对象的读取，一般也应用单例模式，这个是由于配置文件是共享的资源。

• 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池，主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗，这种效率上的损耗还是非常昂贵的，因为何用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗。

• 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式，这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。

• 操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。

• HttpApplication 也是单位例的典型应用。熟悉ASP.Net(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式，所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例.

总结

• 总结以上，不难看出，单例模式应用的场景一般发现在以下条件下：
  1. 资源共享的情况下，避免由于资源操作时导致的性能或损耗等。如上述中的日志文件，应用配置。
  2. 控制资源的情况下，方便资源之间的互相通信。如线程池等。