单例模式和多例模式

一.单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，用于确保一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。这种模式在需要控制资源访问，如配置文件读取、数据库连接、线程池等场景中非常有用。

1.实现要点

1. 私有静态变量：保存类的唯一实例。
2. 私有构造函数：防止外部通过new关键字创建实例。
3. 公共静态方法：提供全局访问点，返回类的唯一实例。如果实例不存在，则创建它。

2.常见的实现方式

懒汉式（线程不安全）

public class SingletonLazy {  
    private static SingletonLazy instance;  
  
    private SingletonLazy() {}  
  
    public static SingletonLazy getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new SingletonLazy();  
        }  
        return instance;  
    }  
  
    // 注意：这个实现在多线程环境下是不安全的  
}

懒汉式（线程安全）

通过在getInstance()方法上添加synchronized关键字来保证线程安全，但这样会影响性能。

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

双重检查锁定（Double-Checked Locking）

这种方式既保证了线程安全，又提高了性能，但需要注意volatile关键字的使用来防止指令重排序。

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

静态内部类

这种方式利用了classloader的机制来保证实例的唯一性，并且实现了懒加载。

public class SingletonStaticInner {  
    private SingletonStaticInner() {}  
  
    private static class SingletonHolder {  
        private static final SingletonStaticInner INSTANCE = new SingletonStaticInner();  
    }  
  
    public static final SingletonStaticInner getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

枚举

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。

public enum SingletonEnum {  
    INSTANCE;  
  
    public void someMethod() {  
        // 方法实现  
    }  
}  
  
// 使用  
SingletonEnum.INSTANCE.someMethod();

3.总结

单例模式是一种简单但强大的设计模式，用于确保类只有一个实例。不同的实现方式有不同的特点和适用场景，需要根据实际需求来选择。枚举方式是推荐的首选实现方式，因为它既简洁又安全。

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二.多例模式

多例模式（Multiton Pattern）是单例模式的一种变体，它允许一个类有多个实例，但实例的数量是有限且固定的。在多例模式中，通常会有一个枚举或者一个映射（如HashMap）来管理这些有限的实例。每个实例都与一个唯一的标识符（如键或枚举值）相关联。

1.实现要点

1. 私有静态映射：用于存储所有已创建的实例，键是唯一的标识符，值是对应的实例。
2. 私有构造函数：防止外部通过new关键字创建实例。
3. 公共静态方法：根据传入的唯一标识符返回对应的实例。如果实例不存在，则创建它并存储在映射中。

2.示例（Java）

以下是一个使用HashMap来实现多例模式的示例

import java.util.HashMap;  
import java.util.Map;  
  
public class Multiton {  
    // 私有静态映射，用于存储所有实例  
    private static final Map instances = new HashMap<>();  
  
    // 私有构造函数  
    private Multiton() {}  
  
    // 公共静态方法，根据KeyType返回对应的实例  
    public static synchronized Multiton getInstance(KeyType key) {  
        Multiton instance = instances.get(key);  
        if (instance == null) {  
            instance = new Multiton();  
            instances.put(key, instance);  
        }  
        return instance;  
    }  
  
    // 假设的KeyType枚举，定义了所有可能的实例键  
    public enum KeyType {  
        INSTANCE1, INSTANCE2, INSTANCE3;  
    }  
  
    // 类的其他方法和属性...  
}  
  
// 使用示例  
public class Main {  
    public static void main(String[] args) {  
        Multiton instance1 = Multiton.getInstance(Multiton.KeyType.INSTANCE1);  
        Multiton instance2 = Multiton.getInstance(Multiton.KeyType.INSTANCE2);  
          
        // instance1 和 instance2 是不同的实例  
        System.out.println(instance1 == instance2); // 输出 false  
          
        // 再次获取相同的实例  
        Multiton instance1Again = Multiton.getInstance(Multiton.KeyType.INSTANCE1);  
          
        // instance1 和 instance1Again 是相同的实例  
        System.out.println(instance1 == instance1Again); // 输出 true  
    }  
}

3.注意事项

• 线程安全：在多线程环境下，getInstance方法需要是同步的，以防止多个线程同时创建同一个键的实例。然而，同步可能会影响性能。如果实例的创建不是非常频繁，或者可以通过其他方式（如双重检查锁定）来优化同步，那么这种影响可能是可以接受的。
• 枚举与多例模式：虽然枚举通常用于实现单例模式，但直接使用枚举来实现多例模式可能不太直观，因为枚举的实例是在类加载时创建的，并且数量是固定的。然而，你可以通过组合使用枚举和映射（或类似结构）来间接实现多例模式，但这样做可能会使代码变得复杂。
• 性能考虑：在多例模式中，由于实例的数量是有限的，因此通常不需要担心内存使用过多的问题。然而，如果实例的创建或销毁非常昂贵（例如，涉及大量资源分配或清理），则可能需要考虑使用对象池等更高级的技术来管理这些实例。

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三.区别

1.例数量

• 单例模式：确保一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点。这意味着在整个应用程序的生命周期中，无论请求多少次，都只会创建和共享这一个实例。
• 多例模式：允许一个类有多个实例，但实例的数量是有限的。这意味着根据需求，可以创建多个实例，但实例的总数受到控制，不会无限制地增长。

2.实现方式

• 单例模式：通常通过私有静态变量来存储唯一的实例，并提供一个公共的静态方法来获取该实例。如果实例不存在，则创建它；如果已存在，则直接返回。
• 多例模式：通常使用一个集合（如HashMap）来存储多个实例，每个实例都有一个唯一的标识符（如ID或键值）。通过提供一个公共的静态方法，并传入标识符来获取对应的实例。如果实例不存在，则根据标识符创建新的实例，并将其添加到集合中；如果已存在，则直接返回。

3.应用场景

• 单例模式：适用于那些在整个系统中只需要一个实例的场景，如配置文件的读取、线程池、数据库连接池等。这些场景通常要求全局只有一个实例来管理资源或状态，以避免数据不一致或资源浪费。
• 多例模式：适用于那些需要多个实例但实例数量有限的场景，如缓存系统、状态机等。在这些场景中，每个实例可能代表不同的状态或配置，因此需要独立管理。多例模式可以限制实例数量，避免资源过度使用，并复用已有实例来提高系统性能。

4.优缺点

• 单例模式：
  • 优点：提供对唯一实例的受控访问，节约系统资源，提高性能。
  • 缺点：可能导致全局状态的存在，增加代码的复杂性；难以追踪和理解的依赖关系；可能引发并发问题；阻碍扩展。
• 多例模式：
  • 优点：可以复用已有实例，避免重复创建对象，提高系统性能和资源利用率；可以灵活控制实例的生命周期。
  • 缺点：实例数量固定，难以动态地增加或减少实例数量；难以对每个实例进行单独的测试；破坏封装性，使得代码难以维护和扩展；代码复杂度高，需要考虑线程安全、序列化等问题。