[Java] 设计模式中的单例模式

1 概念

在软件工程中，单例模式是一种软件设计模式，它将类的实例化限制为一个单一对象。 当需要唯一一个对象来协调系统中的动作时，这种模式非常有用。 此概念有时被泛化到当只有一个对象存在时操作效率更高，或者限制了对象具体数目的系统，单例模式术语来自于数学中单例的概念。

有些人对单例模式持批评态度，认为它是一种反模式(anti-pattern)，因为它经常被用于并不适用的场合，这些场合并不要求唯一实例，单例模式的使用因此引入了不必要的限制，并且将全局状态引入到了应用程序中。

单例设计模式是二十三个著名的“四人帮”设计模式之一，描述了如何解决重复出现的设计问题，以设计灵活且可重用的面向对象软件，易于实现、修改、测试以及重用。

单例模式是Java中最简单的设计模式之一。 这种类型的设计模式属于创建型模式，因为此模式提供了创建对象的最佳方法之一。
这种模式涉及一个单独的类，它负责创建一个对象，同时确保只有单个对象被创建。 这个类提供了一种访问其唯一可以直接访问的对象的方法，而无需实例化类的对象。

单例设计模式能够解决类似如下问题：

1. 如何确保一个班级只有一个实例？
2. 如何轻松访问一个类的唯一实例？
3. 一个类如何控制它的实例化？
4. 如何限制一个类的实例的数量？

单例设计模式描述了如何解决这些问题：

1. 隐藏类的构造函数。
2. 定义一个公共静态操作（getInstance()），该操作返回该类的唯一实例。

单例模式的核心思想是让类自己负责控制其实例化（即它仅会被实例化一次）。
隐藏的构造函数（声明为private）确保该类永远不能从类外部被实例化。
通过使用类名称和操作名称（Singleton.getInstance()）可以轻松访问公共静态操作。

2 实现

单例模式的实现必须：
1. 确保只存在单例类的一个实例;
2. 并提供对该实例的全局访问权限。

通常，这是通过以下方式完成的:
1. 声明该类的所有构造函数均为private;
2. 并提供一个返回实例引用的静态方法。

实例通常存储为私有静态变量; 当变量被初始化，且在静态方法第一次被调用之前的某个时刻，实例被创建。

2.1 以下是Java的示例实现。

public final class Singleton {
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

2.2 Java Demo

我们将创建一个SingleObject类。 SingleObject类的构造函数是私有的，并且具有它自己的静态实例。
SingleObject类提供了一种静态方法来将其静态实例传递给外部世界。 我们的演示类SingletonPatternDemo将使用SingleObject类来获得SingleObject对象。

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2.2.1 第1步 创建一个单例类：

//SingleObject.java

public class SingleObject {
   //create an object of SingleObject
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
   //make the constructor private so that this class cannot be
   //instantiated
   private SingleObject(){}
   //Get the only object available
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

2.2.2 第2步 获取单例类的唯一对象

//SingletonPatternDemo.java
public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      //illegal construct
      //Compile Time Error: The constructor SingleObject() is not visible
      //SingleObject object = new SingleObject();
      //Get the only object available
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
      //show the message
      object.showMessage();
   }
}

2.2.3 第3步 验证输出

Hello World!

3 单例模式的一般使用场合

• abstract factory, builder, and prototype 模式可在他们的实现中使用单例。
• Facade对象由于只需要一个facade对象，因此通常是单例。
• State 对象经常是单例。
• 单例通常比全局变量更受欢迎，因为:
  
  • 它们不会用不必要的变量污染全局名称空间（或者具有名称空间的语言所包含的名称空间）。
  • 它们允许延迟分配和初始化，而许多语言的全局变量总是会消耗资源。

（tutorialspoint上列举了35种设计模式。）

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[1]https://www.tutorialspoint.com/design_pattern/singleton_pattern.htm
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Singleton_pattern