设计模式(10)之单例模式

一、设计模式介绍

1. 设计模式对程序员在面对同类软件工程设计问题所总结出来的有用的经验，模式不是代码，而是某类问题的通用解决方案，设计模式（Design pattern）代表了最佳的实践。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。
2. 设计模式的本质是提高软件的维护性、通用性和拓展性，并降低软件的复杂度。
3. 设计模式并不局限于某种语言，java、PHP、C++都有设计模式。

1.1设计模式类型

        设计模型分有三种类型：创建型模式、结构型模式和行为型模式。

• 创建型模式：单例模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式、工厂模式。
• 结构型模式：适配器模式、桥接模式、装饰模式、组合模式、外观模式、享远模式、代理模式。
• 行为型模式：模版方法模式、命令模式、访问者模式、迭代器模式、观察者模式、中介者式、备忘录模式、解释器模式（Interpreter模式）、状态模式、策略模式、职责链模式(责任链模式)。

二、单例模式

        2.1单例模式介绍

        所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。

        单例模式在现实生活中的应用也非常广泛，例如公司 CEO、部门经理等都属于单例模型。J2EE 标准中的 ServletContext 和 ServletContextConfig、Spring 框架应用中的 ApplicationContext、数据库中的连接池等也都是单例模式。

        单例模式有3个特点：

• 单例类在系统中只有一个实例对象
• 该单例对象必须由单例类自行创建；
• 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。

    2.2单例模式的优点

        单例模式的优点：

• 单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销。
• 可以避免对资源的多重占用。
• 单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。

        单例模式的缺点：

• 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。
• 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。
• 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。

2.3单例模式的八种实现方式

• 饿汉式(常量方式)
• 饿汉式(静态代码块)
• 懒汉式(线程不安全)
• 懒汉式(线程安全、同步方法)
• 懒汉式(线程安全，同步代码块)
• 双重检查
• 静态内部类
• 枚举

         下面是这八种实现方式的具提代码：

2.4 饿汉式(静态常量)

public class SingletonTest01 {

    public static void main(String[] args) {
        //测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

//饿汉式(静态变量)
class Singleton {

    //1. 构造器私有化, 外部能new
    private Singleton() {

    }

    //2.本类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton();

    //3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

      优缺点说明：  

1. 优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
2. 缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。
3. 这种方式基于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，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法， 但是导致类装载的原因有很多种，因此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就没有达到lazy loading的效果。
4. 结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费。

 2.5 饿汉式(静态代码块)

public class SingletonTest02 {

	public static void main(String[] args) {
		//测试
		Singleton instance = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		System.out.println(instance == instance2); // true
		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
	}

}

//饿汉式(静态变量)
class Singleton {
	
	//1. 构造器私有化, 外部能new
	private Singleton() {
		
	}
	

	//2.本类内部创建对象实例
	private  static Singleton instance;
	
	static { // 在静态代码块中，创建单例对象
		instance = new Singleton();
	}
	
	//3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
	public static Singleton getInstance() {
		return instance;
	}
	
}

        优缺点说明：

• 这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
• 结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

2.6懒汉式(线程不安全)

        代码演示：

public class SingletonTest03 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式1 ， 线程不安全~");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建 instance
    //即懒汉式
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

        优缺点说明：

• 起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。
• 如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。
• 结论：在实际开发中，不要使用这种方式.

        2.7懒汉式(线程安全，同步方法)

        代码演示：

public class SingletonTest04 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式2 ， 线程安全~");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    //即懒汉式
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

        优缺点说明：

• 解决了线程不安全的问题
• 效率太低了，每个线程在想获取实例对象的时候，执行getIntance()方法都需要获取锁等待，而这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低。
• 结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

2.8懒汉式(线程安全，同步代码块)

        代码演示：

public class SingletonTest05 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式2 ， 线程安全~");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    //即懒汉式
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

        优缺点：其实这种方式也是线程不安全的，只是这种方法只针对上一种方法别人给出的优化，只不过还是没有打到线程安全的地步，所以在实际开发中不推荐使用这种方式，但是在这里我还写出来，是因为想进一步引出下面的双重检查方式。

2.9双重检查

        代码演示：

public class SingletonTest06 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("双重检查");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());

    }

}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
    //同时保证了效率, 推荐使用

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

        }
        return instance;
    }
}

        优缺点：

1. Double-Check概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。
2. 这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)，直接return实例化对象，也避免的反复进行方法同步
3. 线程安全；延迟加载；效率较高
4. 结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

        其实这里有个面试经常会问到的？这里为什么要使用volatile进行修饰呢？其实小伙伴们知道我们new一个对象他并不是一个原子性操作，他具体是有三步操作，1.分配内存 2.调用构造方法进行初始化 3.赋值。那在高并发的情况下，我们的指令可能就会进行重排序了，所以本来正常的顺序是1,2,3，有可能就变成了1,3,2，所以当其他线程进来的时候发现第一步已经进行不为空了，获取得到这个对象，然后就去使用这个对象，然后就会有可能抛出空指针问题，所以volatile这里就解决了这个问题。

        2.10静态内部类

        代码演示：

public class SingletonTest07 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用静态内部类完成单例模式");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());

    }

}

// 静态内部类完成， 推荐使用
class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    //构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    //写一个静态内部类,该类中有一个静态属性 Singleton
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE

    public static synchronized Singleton getInstance() {

        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

        优缺点说明：

1. 这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
2. 静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。
3. 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
4. 优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高
5. 结论：推荐使用

2.11 枚举

        代码演示：

public class SingletonTest08 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance2);

        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());

        instance.sayOK();
    }
}

//使用枚举，可以实现单例, 推荐
enum Singleton {
    INSTANCE; //属性

    public void sayOK() {
        System.out.println("ok~");
    }
}

        优缺点说明：

1. 这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。
2. 这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式
3. 结论：推荐使用

三、单例模式在JDK 应用的源码分析

        单例模式在JDK 应用的源码分析：

        1) 我们JDK中，java.lang.Runtime就是经典的单例模式(饿汉式)

        2) 代码分析+Debug源码+代码说明

四、单例模式注意事项和细节说明

        单例模式注意事项和细节说明：

        1) 单例模式保证了 系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。

        2) 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new。

        3) 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即：重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session工厂等)。