[设计模式]单例模式

1.单例模式介绍

单利模式是应用最广的模式之一，也可能是很多初级工程师唯一会使用的设计模式。在应用这个模式时，单例对象的类必须保证只有一个实例存在。许多时候整个系统只需要拥有一个全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。如在一个应用中，应该只有一个ImageLoader实例，这个ImageLoader中又含有线程池、缓存系统、网络请求等，很消耗资源，因此，没有理由让他构造多个实例。

这种不能自由构造对象的情况，就是单利模式的使用场景

2.单例模式的定义

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。

3.单例模式的使用场景

确保某个类有且只有一个对象的场景，避免产生多个对象消耗过多的资源，或者某种类型的对象只应该有且只有一个。

例如，创建一个对象需要消耗的资源过多，如果要访问IO和数据库等资源，这时就要考虑使用单例模式了

4.单例模式UML类图

角色介绍：
（1）Client——-高层客户端；
（2）Singleton——单例类

实现单例模式有如下几个关键点：
（1）构造函数不对外开放，一般为Private；
（2）通过一个静态方法或者枚举返回单例类对象
（3）确保单例类的对象有且只有一个，尤其是在多线程环境下；
（4）确保单例类对象在反序列化时不会重新构建对象。

通过将单例类的构造函数私有化，使得客户端代码不能通过new的形式手动构造单例类的对象。单例类会暴露一个共有静态方法，客户端需要调用这个静态方法获取到单例类的唯一对象，在或许这个单例对象的过程中需要确保线程安全，及在多线程环境下构造单例类的对象也是有且只有一个，这也是单例模式实现中比较困难的地方。

5.单例模式的简单示例

public class Staff{
    public void work(){
        //干活
    }
}

public class VP extends Staff{
    @Overrride
    public void work{
        //管下面的经理
    }
}

public static class CEO extends Staff{
    private static final CEO mCeo = new CEO;
    //构造函数
    private CEO(){
    }
    //公用的静态函数，对外暴露获取单例对象的接口
    public static CEO getCEO(){
        return mCeo;
    }
    @Override
    public void work(){
        //管理VP
    }
}

public class Company{
    private List<Staff> allStaffs = new ArrayList<Staff>();
    public void addStaff(Staff per){
        allStaffs.add(per);
    }
    public void showAllStaffs(){
        for(Staff per : allStaffs){
            System.out.println("Obj"+per.toString());
        }
    }
}

public class Test{
    public static void main(String[] args){
        Company cp = new Company();

        Staff ceo1 = CEO.getCEO();
        Staff ceo2 = CEO.getCEO();

        cp.addStaff(ceo1);
        cp.addStaff(ceo2);

        Staff vp1 = new VP();
        Staff vp2 = new VP();

        Staff staff1 = new Staff();
        Staff staff2 = new Staff();
        Staff staff3 = new Staff();

        cp.addStaff(vp1);
        cp.addStaff(vp2);
        cp.addStaff(staff1);
        cp.addStaff(staff2);
        cp.addStaff(staff3);

        cp.showAllStaffs();



    }
}

输出结果可以看到CEO类不能通过new的形式构造对象，只能通过CEO.getCEO()函数来获取，而这个CEO对象是静态对象，并且在生命的时候就已经初始化，这就保证了CEO对象的唯一性。从输出结果中发现，CEO两次输出的CEO对象都是一样的，而VP,Staff等类型的都是不同的，这个实现的核心在于将CEO累的构造方法私有化，使得外部程序不能通过构造函数来构造CEO对象，而CEO类通过一个静态方法返回一个静态对象。

6.单例模式的其他实现方式

6.1 懒汉模式

懒汉模式是声明一个静态对象，并且在用户第一次调用getInstance时进行初始化，而上述的饿汉模式（CEO类）是在声明静态对象时已经初始化。

懒汉单例模式实现如下：

public class Singleton{
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}

    public static synchronized Sigleton getInstance(){

        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }

        return instance;
    }
}

getInstance()加了一个synchronized关键字，也就是说getInstance()是一个同步方法，这就是上面所说的在多线程情况下保证单例对象唯一性的手段。

这时就有问题了，即使instance已经被初始化(第一次调用时就会被初始化instance)，每次调用getInstance都会进行同步，这样会消耗不必要的资源，这也就是懒汉单例模式的问题。

最后总结一下，懒汉单例模式的优点是单里只有在使用时才会被实例化，在一定程度上节约资源。
缺点是第一次加载时需要及时进行实例化，反应稍慢，最大的问题是每次调用getInstance都进行同步，造成不必要的同步开销。

这种模式一般不是很建议使用。

6.2 Double CheckLock（DCL）实现单例

DCL方式实现单例模式的优点是既能够在需要时才初始化单例模式，又能保证线程安全，且单例对象初始化后调用getInstance不进行同步锁。

代码如下所示：

public class Singleton{
    private static Singleton sInstance = null;
    private Singleton(){
    }
    public void doSometing(){
        System.out.println("do sth.");
    }
    public static Singleton getInstance(){
        if(mInstahce == null){
            synchronized(Singleton.class){
                if(mInstance == null){
                    sInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return sInstance;
    }
}

本程序的亮点自然都在getInstance方法上，可以看到getInstance方法对instance进行了两次判断：第一层判断主要是为了避免不必要的同步，第二层判断则是为了在null的情况下创建实例，这是什么意思呢？

首先我们要知道sInstance = new Singleton()这个语句，它大致做了三件事情：
(1)给Singleton的实例分配内存；
(2)调用Singleton()的构造函数，初始化成员字段；
(3)将sInstance对象指向分配的内存空间(此时sInstance就不是null了)。

在JDK1.5之前的JMM长Cache、寄存器到主内存回写顺序的规定，上面的第二和第三顺序是无法保证的，也就是说，执行顺序可能是1-2-3也可能是1-3-2。如果是后者，并且在3执行完毕，2未执行之前，被切换到线程B上，这时候sInstance因为已经在线程A内执行过了第三点，sInstance已经是非空了，所以，线程B直接取走sInstance，再使用时就会出错，这就是DCL失效的问题，而且这种难以跟踪。

JDK1.5之后SUN公司调整了JMM，具体化了volatile关键字，因此，只需要将sInstance的定义改成private volatile static Singleton sInstance = null就可以保证sInstance对象每次都是从主内存中读取，就可以使用DCL的写法来完成单例模式，当然使用volatile或多或少也会影响到性能。

DCL的有点：资源利用率高，第一次执行getInstance是时单例对象才会被实例化，效率高。
缺点：第一次加载时反应有点慢，也由于java的内存模型的原因偶尔会失败，在高并发环境下也有一定的缺陷，虽然发生的概率很小。DCL模式是使用最多的单例实现方式，它能够在需要时才实例化单例对象，并且能够在绝大多数场景下保证单例对象的唯一性。除非代码在并发场景比较复杂。

6.3 静态内部类单例模式

DCL虽然在一定程度上解决了资源消耗、多余的同步、线程安全等问题但是，他还是在某下情况下出现时效的问题，这个问题被称为双重检查锁定失效，在《java并发编程实践》这一书中有讨论。
建议使用如下代码进行替换

public class Singleton{
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.sInstance;
    }
    //静态内部类
    private static class SingletonHolder{
        private static final Singleton sInstance = new Singleton();
    }
}

当第一次加载Singleton类时并不会初始化sInstance,只有在第一次调用Singleton的getInstance方法时才会导致sInstance被初始化。因此，第一次调用getInstance方法会导致虚拟机加载SingletonHolder类，这种方式不仅能够保证线程安全，也能够保证单例对象的唯一性，同事也延迟了单例的实例化，所以这是推荐使用单例模式的实现方式。

6.4 枚举单例

枚举就是最简单的单例实现方法

public enum SingleEnum{
    INSTANCE;
    public void doSomething{
        System.out.println("do sth.");
    }
}

写法简单就是枚举最大的优点，枚举在Java中与普通的类是一样的，不仅能够有字段，还能够有自己的方法。更重要的是默认枚举实例的创建是线程安全的，并且在任何情况下它都是一个单例。

6.5使用容器实现单例模式

public class SingletonManager{
    private static Map<String,Object> objMap = new HashMap<String,Object>();

    private Singleton(){}
    public static void registerService(String key,Object instance){
        if (!objMap.containKey(key)) {
            objMap.put(key,instance);

        }
    }
    public static ObjectgetService(String key){
        return objMap.get(key);
    }
}

这种形式可以将多种单例类型注入到一个统一的管理类中，在使用时根据key获取对应类型的对象。这种方式使得我们可以管理多种类型的单例，并且在使用时可以通过统一的接口进行获取操作，降低了用户的使用成本也对用户隐藏了具体实现，降低了耦合度。

总而言之，不管以那种形式实现单例模式，他的核心原理都是将构造函数私有化，并且通过静态方法获取一个唯一的实例，在这个获取的过程中必须保证线程安全、防止反序列化导致重新生成实例对象等问题。