4-设计模式-单例模式

概念

首先，重点！！！
- 单例类只能有一个实例
- 单例类必须自己创建自己的唯一实例
- 单例类必须给所有其他对象提供这一实例

单例模式可以说是23种设计模式中至关重要的设计模式之一，在我们的生活中无处不在。此外，其实现也有很多种，同时也存在着线程安全问题。
以下内容摘自菜鸟教程

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：
1、一个党只能有一个主席。
2、Windows是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：
1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：
没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：
1、要求生产唯一序列号。
2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：
getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class)
防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

懒汉式-线程不安全

懒汉式，顾名思义，当我们需要单例对象时，再创建获取它。

• 首先，私有一个静态的单例对象，为null
• 然后，稀有单例类的构造方法
• 其次，创建一个公共静态的方法用来获取单例对象。并且在调用该方法时创建对象并返回

/**
 * 懒汉式,线程不安全
 * 
 * 项目名称：JavaRec<br/>
 * 类名称：LazySingleton<br/>
 * 类描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
 * 这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。<br/>
 * 时间 2018年4月18日 下午2:54:42
 * @author wzw
 * @version
 */
public class LazySingletonUnSafe {

    private static LazySingletonUnSafe instance;

    private LazySingletonUnSafe() {}

    public static LazySingletonUnSafe getSingleton() {
        if (null == instance) {
            instance = new LazySingletonUnSafe();
        }
        return instance;
    }

}

懒汉式-线程安全

• 首先，私有一个静态的单例对象，为null
• 然后，稀有单例类的构造方法
• 其次，创建一个公共静态的方法用来获取单例对象。并且在调用该方法时创建对象并返回
• 最后，在公共静态方法上加synchronzied关键字，给其加锁

/**
 * 懒汉式，线程安全
 * 项目名称：JavaRec<br/>
 * 类名称：LazySinletonSafe<br/>
 * 类描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。<br/>
 * 优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。<br/>
 * 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。<br/>
 * getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。<br/>
 * 时间 2018年4月18日 下午2:59:50
 * @author wzw
 * @version
 */
public class LazySinletonSafe {
    private static LazySinletonSafe instance;
    private LazySinletonSafe() {}

    public static synchronized LazySinletonSafe getSinleton() {
        if (null == instance) {
            instance = new LazySinletonSafe();
        }
        return instance;
    }
}

饿汉式

• 首先，创建一个私有静态的单例对象，并实例化
• 然后，私有其构造方法
• 其次，提供一个公共静态方法用于获取单例对象

/**
 * 饿汉式-线程安全
 * 项目名称：JavaRec<br/>
 * 类名称：HungrySingletonSafe<br/>
 * 类描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。<br/>
 * 优点：没有加锁，执行效率会提高。<br/>
 * 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。<br/>
 * 它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 
 * getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。<br/>
 * 时间 2018年4月18日 下午3:04:43
 * @author wzw
 * @version
 */
public class HungrySingletonSafe {
    private static HungrySingletonSafe instance = new HungrySingletonSafe();
    private HungrySingletonSafe() {};

    public static HungrySingletonSafe getSingleton() {
        return instance;
    }
}

单例模式-DCL

• 首先，私有静态单例对象，注意，这里用到了volatile关键字
• 然后，私有其构造方法
• 其次，创建一个公共静态的方法用于获取单例对象
• 最后，在公共静态方法中，我们进行了两次null判断，并在第二次null判断时加上synchronized关键字

注意：关于volatile关键字与synchronized关键字的区别

https://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/52611233

synchronized

关键字解决的是执行控制的问题，它会阻止其它线程获取当前对象的监控锁，这样就使得当前对象中被synchronized关键字保护的代码块无法被其它线程访问，也就无法并发执行。更重要的是，synchronized还会创建一个内存屏障，内存屏障指令保证了所有CPU操作结果都会直接刷到主存中，从而保证了操作的内存可见性，同时也使得先获得这个锁的线程的所有操作，都happens-before于随后获得这个锁的线程的操作。

volatile

关键字解决的是内存可见性的问题，会使得所有对volatile变量的读写都会直接刷到主存，即保证了变量的可见性。这样就能满足一些对变量可见性有要求而对读取顺序没有要求的需求。

/**
 * 单例模式-双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
 * 项目名称：JavaRec<br/>
 * 类名称：Singleton<br/>
 * 类描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
 * getInstance() 的性能对应用程序很关键。<br/>
 * 时间 2018年4月18日 下午3:07:20
 * @author wzw
 * @version
 */
public class Singleton {

    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getSingleton() {
        if (null == instance) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

单例模式-登记式/静态内部类

• 首先，私有构造方法
• 然后，创建一个私有静态常量，单例对象
• 其次，提供一个公共静态方法获取单例对象

/**
 * 单例模式-登记式/静态内部类
 * 项目名称：JavaRec<br/>
 * 类名称：HandleSingleton<br/>
 * 类描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，
 * 双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟饿汉式方式不同的是：
 * 饿汉式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，
 * instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，
 * 才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。<br/>
 * 想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类
 * 还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比饿汉式就显得很合理。
 * 时间 2018年4月18日 下午3:13:22
 * @author wzw
 * @version
 */
public class Singleton2 {
    private Singleton2() {}

    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton2 INSTANCE = new Singleton2();  
    } 

    public static Singleton2 getSingleton() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

}