设计模式之单例模式

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什么是单例模式

单例模式是一种常用的软件设计模式，其主要作用是保证某一个类只能有一个实例，并提供对该实例的全局访问点。

单例模式有三个要点：

1. 某个类只能有一个实例。
2. 它必须自行创建这个实例。
3. 它必须自行向整个系统提供这个实例。

单例模式的分类

单例设计模式在具体实现上有，分为两类：

1. ​饿汉式：在类加载的时候就已经创建好实例，不存在多线程并发访问的问题。
2. 懒汉式：在类加载的时候不创建实例，当调用 getInstance 方法的时候才判断实例是否存在，如果不存在才创建实例，存在就返回已有的实例。此种方式需要考虑线程安全问题。

单例模式的实现

在具体实现上，饿汉式的单例有两种实现方法，懒汉式的实际可用的实现方法有三种，另外三种懒汉式的实现方法实际上不具有实际使用的意义，关于这八种单例的实现的详细分析如下：

1、饿汉式一【可用】

方法：静态常量

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。

public class ChinaBean {
    private static final ChinaBean instance=new ChinaBean();
    public ChinaBean() {
    }
    public static ChinaBean getInstance(){
        return instance;
    }
}

2、饿汉式二【可用】

方法：静态代码块

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。

public class ChinaBean {
    private static  ChinaBean instance;
    public ChinaBean() {
    }
    static {
        instance=new ChinaBean();
    }
    public static ChinaBean getInstance(){
        return instance;
    }
}

3、懒汉式（线程不安全）【不可用】

方法：静态方法和静态变量，通过逻辑判断单例是否实例化，如果未实例化，则开始实例化并返回；如果已经实例化，则直接返回；

这种写法起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。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。

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

4、懒汉式（线程安全，同步方法）【不推荐用】

方法：解决上面第三种实现方式的线程不安全问题，做个线程同步就可以了，于是就对getInstance()方法加上同步锁，进行线程同步。

缺点：效率太低，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要改进。

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

5、懒汉式（线程安全，同步代码块）【不可用】

方法：由于第四种实现方式同步效率太低，所以摒弃同步方法，改为同步产生实例化的的代码块。但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了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。

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

6、双重检查【可用】

Double-Check概念对于多线程开发者来说不会陌生，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。

优点：线程安全；延迟加载；效率较高。

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

7、静态内部类【推荐使用】

方法：这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要Singleton类被装载就会实例化，没有Lazy-Loading的作用，而静态内部类方式在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。

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，延迟加载，效率高。

public class ChinaBean {

    private static class SingleInstance{
        private static final ChinaBean instance=new ChinaBean();
    }
    public static  ChinaBean getInstance() {
        return SingleInstance.instance;
    }
}

8、枚举【推荐使用】

方法：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。

枚举是在JDK1.5以及以后版本中增加的一个“语法糖”，它主要用于维护一些实例对象固定的类。 按照Java语言的命名规范，通常，枚举的实例对象全部采用大写字母定义，这一点与Java里面的常量是相同的。 因为Java虚拟机会保证枚举对象的唯一性，因此每一个枚举类型和定义的枚举变量在JVM中都是唯一的。

public enum ChinaBean {
    INSTANCE;
    public void show() {
        System.out.println("this is a single instance");
    }
    public static void main(String[] args) {
        ChinaBean instance = ChinaBean.INSTANCE;
        instance.show();
    }
}

总结

单例模式很简单，其适用场景以及优点、缺点也都相当明显。

优点：

1. 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。
2. 灵活性：由于类控制了实例化过程，因此类可以灵活更改实例化过程。
3. 内存管理：由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象单例模式无疑可以提高系统的性能。

缺点：

1. 没有抽象层：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。
2. 单例职责过重：在一定程度上违背了“单一职责原则”，单例类除了拥有自身的业务逻辑外，还负责管理实例的创建和销毁。