单例模式
单例模式总概述
在有些系统中，为了节省内存资源、保证数据内容的一致性，对某些类要求只能创建一个实例，这就是所谓的单例模式。在计算机系统中，还有 Windows 的回收站、操作系统中的文件系统、多线程中的线程池、显卡的驱动程序对象、打印机的后台处理服务、应用程序的日志对象、数据库的连接池、网站的计数器、Web 应用的配置对象、应用程序中的对话框、系统中的缓存等常常被设计成单例。
单例模式的意图，解决的问题，什么时候使用
单例的意图是为了保证一个类只有一个实例，并提供访问它的唯一全局访问点。单例的使用主要是在需要保证全局只有一个实例可以被访问的情况，比如系统日志的输出、操作系统的任务管理器等，在代码中使用是非常频繁的。
1.单例模式
单例（Singleton）模式，一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例的一种模式。
例如，Windows 中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费，或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。在计算机系统中，还有 Windows 的回收站、操作系统中的文件系统、多线程中的线程池、显卡的驱动程序对象、打印机的后台处理服务、应用程序的日志对象、数据库的连接池、网站的计数器、Web 应用的配置对象、应用程序中的对话框、系统中的缓存等常常被设计成单例。
2.单例模式中的角色
| 组成（角色） | 作用 |
|---|---|
| 单例类 | 包含一个实例且能自行创建这个实例的类。 |
单例模式中只有这一个角色，目的很简单就是为了创建一个全局唯一实例。在单例类的内部实现只生成一个实例，同时它提供一个静态的getInstance()工厂方法，让客户可以访问它的唯一实例；为了防止在外部对其实例化，将其构造函数设计为私有；在单例类内部定义了一个Singleton类型的静态对象，作为外部共享的唯一实例。
3.创建单例的方式
本段将从“线程安全，运行效率”来介绍单例模式的几种创建方式。
3.1 饿汉模式
该模式的特点是类一旦加载就创建一个单例，保证在调用 getInstance 方法之前单例已经存在了。
public class HungrySingleton {
private static final HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance() {
return instance;
}
}
饿汉式单例在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题。
但是创建单例的时候会在类加载时就进行，所以给程序启动，系统加载带来了压力。
3.2 懒汉模式
该模式的特点是类加载时没有生成单例，只有当第一次调用 getlnstance 方法时才去创建这个单例。代码如下：
synchronized 和 volatile 保证了在多线程下，饿汉模式的数据一致性。
public class LazySingleton {
private static volatile LazySingleton instance = null; //保证 instance 在所有线程中同步
private LazySingleton() {
} //private 避免类在外部被实例化
public static synchronized LazySingleton getInstance() {
//getInstance 方法前加同步
if (instance == null) {
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
注意：如果编写的是多线程程序，则不要删除上例代码中的关键字 volatile 和 synchronized，否则将存在线程非安全的问题。如果不删除这两个关键字就能保证线程安全，但是每次访问时都要同步，会影响性能，且消耗更多的资源，这是懒汉式单例的缺点。
上面的做法虽然解决了线程安全问题，但是多线程同时去获取单实例的时候，无论此时需不需要生成对象，都会因为调用getInstance（）方法阻塞住，导致性能的大大下降。这也是在许多文章中都没有提出的一个点。其实我们只需要在new这个对象的时候加锁就行了，于是有了以下的双重检查锁定写法：
public class LazySingleton {
private static volatile LazySingleton instance = null; //保证 instance 在所有线程中同步
private LazySingleton() {
} //private 避免类在外部被实例化
public static LazySingleton getInstance() {
if (instance == null) {
// 只需要new之前加锁
synchronized （LazySingleton.class）{
if (instance == null) {
instance = new LazySingleton();
}
}
}
return instance;
}
}
3.3 Initialization Demand Holder(IoDH)
不难看出上述两种方式都存在一定的局限性，那如何将两个方式的优势结合在一起呢。这节将介绍IoDH技术，在IoDH中，我们在单例类中增加一个静态（static）内部类，在该内部类中创建单例对象，再将该单例对象通过getInstanc()方法返回给外部使用，实现代码如下：
public class SingleTon{
private SingleTon(){}
private static class SingleTonHoler{
private static SingleTon INSTANCE = new SingleTon();
}
public static SingleTon getInstance(){
return SingleTonHoler.INSTANCE;
}
}
3.4 单例模式优缺点、使用场景
优点：
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- 可以避免对资源的多重占用，减少了内存的开销。。
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- 单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。
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- 对于单例模式我们可以定制可变数目的实例，灵活适配系统性能。
缺点：
- 1.单例模式一般没有接口，扩展困难。如果要扩展，则除了修改原来的代码，没有第二种途径，违背开闭原则。
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- 在并发测试中，单例模式不利于代码调试。在调试过程中，如果单例中的代码没有执行完，也不能模拟生成一个新的对象。
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- 单例模式的功能代码通常写在一个类中，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则。
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- 垃圾回收机制可能导致单例的丢失。
适用场景：
对于 Java 来说，单例模式可以保证在一个 JVM 中只存在单一实例。单例模式的应用场景主要有以下几个方面。
- 需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力，减少 GC。
- 某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
- 某些类创建实例时占用资源较多，或实例化耗时较长，且经常使用。
- 某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。
- 频繁访问数据库或文件的对象。
- 对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。
- 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。