设计模式——单例模式

介绍

所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例， 并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。
比如 Hibernate 的 SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建 Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够，这是就会使用到单例模式。

单例设计模式类型

单例模式有八种方式：

1. 饿汉式(静态常量)
2. 饿汉式（静态代码块）
3. 懒汉式(线程不安全)
4. 懒汉式(线程安全，同步方法)
5. 懒汉式(线程安全，同步代码块)
6. 双重检查
7. 静态内部类
8. 枚举

饿汉式(静态常量)

实现方式

1. 构造器私有化 (防止 new )
2. 类的内部创建对象
3. 向外暴露一个静态的公共方法——getInstance

/**
 * 饿汉式(静态变量)
 */
class Singleton {
    /**
     * 1.构造器私有化
     */
    private Singleton(){}
    /**
     *2.本类内部创建对象实例
     */
    private final static Singleton instance = new Singleton();
    /**
     * 3.提供一个公有的静态方法，返回实例对象
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

优缺点说明

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费
注：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，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是导致类装载的原因有很多种，因此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 就没有达到 lazy loading 的效果
结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

饿汉式(静态代码块)

实现方式

与静态常量唯一不同之处就在于创建对象的方式，此处的instance没有final修饰，并用静态代码块进行初始化。

class Singleton{
    private Singleton(){}

    public static Singleton instance;

    static {
        instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

优缺点说明

注：这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

懒汉式(线程不安全)

实现方式

class Singleton{
    public static Singleton instance;

    private Singleton(){}
    
    //提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建 instance
    //即懒汉式
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明

优点：起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。
缺点：如果在多线程下，一个线程进入了 if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式
结论：在实际开发中，不要使用这种方式

懒汉式(线程安全，同步方法)

实现方式

在懒汉式线程不安全的基础上，添加同步关键字，强制实现线程安全。

class Singleton{
    public static Singleton instance;

    private Singleton(){}
    //提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    //即懒汉式
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明

有点：解决了线程安全问题
缺点：效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行 getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接 return 就行了。方法进行同步效率太低
结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

懒汉式(线程安全，同步代码块)

实现方式

这种方法跟懒汉式(线程不安全)类似，给人一种掩耳盗铃的感觉。如果两个线程同时进入代码块，此时Singleton.class依然不存在，可能会产生多个实例

class Singleton{
    public static Singleton instance;

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

优缺点说明

结论：不推荐使用

双重检查

实现方式

在懒汉式同步代码块的基础上将instance用volatile修饰，使同步的时候只有一个线程能进入到代码块中。

class Singleton{
    public static volatile Singleton instance;

    private Singleton(){}

    //提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
    //同时保证了效率, 推荐使用
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明
优点：Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次 if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断 if (singleton == null)，直接 return 实例化对象，也避免的反复进行方法同步.线程安全；延迟加载；效率较高
结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

静态内部类

实现方式

class Singleton{
    //构造器私有化
    private Singleton(){}

    //写一个静态内部类,该类中有一个静态属性 Singleton
    private static class SingtonInstance{
        public final static Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    //提供一个静态的公有方法，直接返回 SingletonInstance.INSTANCE 
    public static Singleton getInstance(){
        return SingtonInstance.INSTANCE;
    }
}

优缺点说明

注：这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化，这种模式完全贴合懒加载。类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM 帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高
结论：推荐使用

枚举

实现方式

enum Singleton{
    INSTANCE;
    public void sayOK(){
        System.out.println("ok~");
    }
}

优缺点说明
注：这借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。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。这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式
结论：推荐使用

单例模式应用

1、任务管理器
在windows系统中，像文件夹，我的电脑，游戏(部分)都可以开启两个，但是任务管理器不论怎么开都只有一个。
2、Runtime
java Runtime 也是使用单例模式

image.png

显然此处使用的使饿汉式(静态变量)的方式
3、mybatis中的ErrContext
ErrorContext是用在每个线程范围内的单例，用于记录该线程的执行环境错误信息

public class ErrorContext {
    private static final ThreadLocal LOCAL = new ThreadLocal();

    private ErrorContext() {
    }

    public static ErrorContext instance() {
        ErrorContext context = (ErrorContext)LOCAL.get();
        if (context == null) {
            context = new ErrorContext();
            LOCAL.set(context);
        }

        return context;
    }

在获取实例的方法中，先判断是否为空如果是的话就先创建，然后返回构造好的对象。LOCAL的静态实例变量使用了ThreadLocal修饰(ThreadLocal这个类很有意思，后面会单独分析)，也就是说它属于每个线程各自的数据，跟双全检查方式中的volatile关键字有异曲同工之妙，而在instance()方法中，先获取本线程的该实例，如果没有就创建该线程独有的ErrorContext。

单例模式注意事项和细节说明

1. 单例模式保证了 系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能
2. 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用 new
3. 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即：重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session 工厂等)

其他

单例模式在一些情况下会被序列化和反射攻击所破坏，有兴趣的移步
单例模式防止反射攻击
这里只说结论：
对于反射攻击，在私有构造器中抛出异常即可（并不是所有单利模式都能这样解决）。

   private Singleton() {
         if (null != instance) {
            throw new RuntimeException("禁止反射调用默认构造器");
        }
  }

对于序列化的攻击，重写readResolve()方法

private Object readResolve()
{
     return instance;
}