【设计模式】单例模式

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1.单例模式定义

       单例模式（Singleton Pattern）是一个比较简单的模式，其定义如下：

Ensure a class has only one instance, and provider a global point of access to it.

       即：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。

2.单例模式特点

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自行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。

3.单例模式优缺点

单例模式有以下优点：

• 单例模式可以在任何时候严格控制一个类只有一个实例，而且易于检索和使用。
• 单例模式可以在系统内存中只存在一个对象，因此可以节省系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式可以提高系统的性能。
• 单例模式可以允许可变数目的实例。

单例模式有以下缺点：

• 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。
• 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
• 现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的共享对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致共享的单例对象状态的丢失。

总之，单例模式具有一些优点，但也存在一些缺点，需要在具体应用中进行权衡。在使用单例模式时，需要根据具体的需求和情况来考虑是否使用单例模式。

4.单例模式实现方式

4.1.饿汉式单例类

public class EagerSingleton {
    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
    /**
     * 私有默认构造子
     */
    private EagerSingleton(){}
    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static EagerSingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

       上面的例子中，在这个类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造子会被调用。这时候，单例类的唯一实例就被创建出来了。
       饿汉式其实是一种比较形象的称谓。既然饿，那么在创建对象实例的时候就比较着急，饿了嘛，于是在装载类的时候就创建对象实例。

private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

       饿汉式是典型的空间换时间，当类装载的时候就会创建类的实例，不管你用不用，先创建出来，然后每次调用的时候，就不需要再判断，节省了运行时间。

4.2.懒汉式单例类

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance = null;
    /**
     * 私有默认构造子
     */
    private LazySingleton(){}
    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static synchronized LazySingleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

       上面的懒汉式单例类实现里对静态工厂方法使用了同步化，以处理多线程环境。
       懒汉式其实是一种比较形象的称谓。既然懒，那么在创建对象实例的时候就不着急。会一直等到马上要使用对象实例的时候才会创建，懒人嘛，总是推脱不开的时候才会真正去执行工作，因此在装载对象的时候不创建对象实例。

private static LazySingleton instance = null;

       懒汉式是典型的时间换空间,就是每次获取实例都会进行判断，看是否需要创建实例，浪费判断的时间。当然，如果一直没有人使用的话，那就不会创建实例，则节约内存空间。
       由于懒汉式的实现是线程安全的，这样会降低整个访问的速度，而且每次都要判断。那么有没有更好的方式实现呢？

4.3.双重检查加锁

       可以使用“双重检查加锁”的方式来实现，就可以既实现线程安全，又能够使性能不受很大的影响。那么什么是“双重检查加锁”机制呢？
       所谓“双重检查加锁”机制，指的是：并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法后，先检查实例是否存在，如果不存在才进行下面的同步块，这是第一重检查，进入同步块过后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。这样一来，就只需要同步一次了，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。
       “双重检查加锁”机制的实现会使用关键字volatile，它的意思是：被volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，所有对该变量的读写都是直接操作共享内存，从而确保多个线程能正确的处理该变量。
       注意：在java1.4及以前版本中，很多JVM对于volatile关键字的实现的问题，会导致“双重检查加锁”的失败，因此“双重检查加锁”机制只只能用在java5及以上的版本。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
        if(instance == null){
            //同步块，线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

       这种实现方式既可以实现线程安全地创建实例，而又不会对性能造成太大的影响。它只是第一次创建实例的时候同步，以后就不需要同步了，从而加快了运行速度。
       提示：由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高。因此一般建议，没有特别的需要，不要使用。也就是说，虽然可以使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例，但并不建议大量采用，可以根据情况来选用。
       根据上面的分析，常见的两种单例实现方式都存在小小的缺陷，那么有没有一种方案，既能实现延迟加载，又能实现线程安全呢？

4.4.单例和枚举

       按照《高效Java 第二版》中的说法：单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。用枚举来实现单例非常简单，只需要编写一个包含单个元素的枚举类型即可。

public enum Singleton {
    /**
     * 定义一个枚举的元素，它就代表了Singleton的一个实例。
     */
    
    uniqueInstance;
    
    /**
     * 单例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation(){
        //功能处理
    }
}

       使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

5.单例模式应用场景

单例模式的应用场景包括但不限于以下几个方面：

• 需要严格控制资源共享的情况。例如，Windows的任务管理器（TaskManager）和回收站（RecycleBin），以及网站的计数器，这些都需要严格控制资源的共享。
• 需要频繁创建和销毁同一对象的情况。例如，应用程序的日志应用、数据库连接池的设计、多线程的线程池的设计等，这些情况下使用单例模式可以节省开销。
• 需要全局唯一对象的情况。例如，Windows的任务管理器、网站的计数器等，这些情况下使用单例模式可以保证对象的唯一性。

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