[JAVA基础] 三、设计模式——单例模式详解

一. 概述

　　单例模式是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例类的特殊类。通过单例模式可以保证系统中一类只有一个实例而且该实例易于外界访问，从而达到使用目的（如windows操作系统中，任务管理器只能打开一个--主要目的），同时还能方便对实例个数的控制并节约系统资源（主要目的之外的好处）。如果希望在系统中某个类的对象只能存在一个，单例模式是最好的解决方案。

二. 简介

　　单例模式是设计模式中最简单的形式之一。这一模式的目的是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。要实现这一点，可以从客户端对其进行实例化开始。因此需要用一种只允许生成对象类的唯一实例的机制，“阻止”所有想要生成对象的访问。使用工厂方法来限制实例化过程。这个方法应该是静态方法（类方法），因为让类的实例去生成另一个唯一实例毫无意义。

三. 定义

　　Java中单例模式的定义：一个类有且仅有一个实例，并且自行实例化向整个系统提供。

四. 动机

　　对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID(序号)生成器。如在Windows中就只能打开一个任务管理器。如果不使用机制对窗口对象进行唯一化，将弹出多个窗口，如果这些窗口显示的内容完全一致，则是重复对象，浪费内存资源；如果这些窗口显示的内容不一致，则意味着在某一瞬间系统有多个状态，与实际不符，也会给用户带来误解，不知道哪一个才是真实的状态。因此有时确保系统中某个对象的唯一性即一个类只能有一个实例非常重要。

　　如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

五. 要点　　

　　显然单例模式的要点有三个：

　　　　1. 是某个类只能有一个实例；

　　　　2. 是它必须自行创建这个实例；

　　　　3. 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：

　　　　1. 是单例模式的类只提供私有的构造函数；

　　　　2. 是类定义中含有一个该类的静态私有对象；

　　　　3. 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。

 

六. 实例　　

　　当一个类的实例可以有且只有一个的时候就需要用到了。为什么只需要有一个呢？有人说是为了节约内存，但这只是单例模式带来的一个好处。只有一个实例确实减少内存占用，可是我认为这不是使用单例模式的理由。我认为使用单例模式的时机是当实例存在多个会引起程序逻辑错误的时候。比如类似有序的号码生成器这样的东西，怎么可以允许一个应用上存在多个呢？Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在。

单例模式是最容易理解的设计模式之一，介绍Java中单例模式的四种写法。

1.饿汉式单例模式

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

特点：饿汉式会提前进行实例化，没有延迟加载，不管是否使用都会有一个已经初始化的实例在内存中，浪费内存，但不会出现懒汉式中的多线程问题。

2.懒汉式单例模式

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

特点：实现了延迟加载，但在多线程情况下可能会出现问题，不能保证线程安全。

3.线程安全的懒汉式单例模式

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

特点：实现了线程安全，但是由于synchronized（同步方法）限制了整个getInstance方法，而我们只是希望在new Singleton()时进行加锁，因此这种写法会导致效率不高。于是有人提出以下写法：

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

思路是只需同步初始化那部分代码（同步代码块），这就是所谓的双检锁机制，很可惜这种写法在很多平台和优化编译器中无法编译通过，原因在于，instance=new Singleton()这行代码在不同的编译器中的行为是无法预知的，很有可能出现以下初始化情况：变量初始化通过两个步骤实现：1.给变量分配内存空间；2.调用构造函数来初始化成员变量。

假设线程A和B都在调用getInstance，线程A先进入，在执行完1步骤后被踢出了CPU，然后线程B进入，B看到的instance已经不是null了(内存已经分配)，于是它开始放心大胆的使用instance，但这个是错误的，因为instance的成员变量还都是缺省值，A还没来得及调用构造方法来完成instance的初始化。

4.静态内部类的单例模式

public class Singleton{
    private Singleton(){}
    private static class Inner{
        private static Singleton instanceHolder=new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstacen(){
        return Inner.instanceHolder;
    }
}

由于内部类在编译完成后也是一个单独的class文件，因此在不使用的情况下Inner类是不会被加载的。同时，JVM保证在类加载的过程中static代码块在多线程或者单线程下都正确执行，且仅执行一次。解决了延迟加载以及线程安全的问题。

七. 补充synchronized()的作用？

　　在多线程的情况下，由于同一进程的多个线程共享同一片存储空间，在带来方便的同时，也带来了访问冲突这个严重的问题。Java语言提供了专门机制以解决这种冲突，有效避免了同一个数据对象被多个线程同时访问。

　　由于我们可以通过 private 关键字来保证数据对象只能被方法访问，所以我们只需针对方法提出一套机制，这套机制就是 synchronized 关键字，它包括两种用法：synchronized 方法和 synchronized 块。

1. synchronized 方法：通过在方法声明中加入 synchronized关键字来声明 synchronized 方法。
　　如：public synchronized void accessVal(int newVal);synchronized 方法控制对类成员变量的访问：每个类实例对应一把锁，每个 synchronized 方法都必须获得调用该方法的类实例的锁方能执行，否则所属线程阻塞，方法一旦执行，就独占该锁，直到从该方法返回时才将锁释放，此后被阻塞的线程方能获得该锁，重新进入可执行状态。这种机制确保了同一时刻对于每一个类实例，其所有声明为 synchronized 的成员函数中至多只有一个处于可执行状态（因为至多只有一个能够获得该类实例对应的锁），从而有效避免了类成员变量的访问冲突（只要所有可能访问类成员变量的方法均被声明为 synchronized）。 
在 Java 中，不光是类实例，每一个类也对应一把锁，这样我们也可将类的静态成员函数声明为 synchronized ，以控制其对类的静态成员变量的访问。
synchronized 方法的缺陷：若将一个大的方法声明为synchronized 将会大大影响效率，典型地，若将线程类的方法 run() 声明为 synchronized ，由于在线程的整个生命期内它一直在运行，因此将导致它对本类任何 synchronized 方法的调用都永远不会成功。当然我们可以通过将访问类成员变量的代码放到专门的方法中，将其声明为 synchronized ，并在主方法中调用来解决这一问题，但是 Java 为我们提供了更好的解决办法，那就是 synchronized 块。

2. synchronized 块：通过 synchronized关键字来声明synchronized 块。语法如下：
　　synchronized(syncObject) {
　　　　//允许访问控制的代码
　　}
　　synchronized 块是这样一个代码块，其中的代码必须获得对象 syncObject （如前所述，可以是类实例或类）的锁方能执行，具体机制同前所述。由于可以针对任意代码块，且可任意指定上锁的对象，故灵活性较高。