單例模式

單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單的設(shè)計模式之一。這種類型的設(shè)計模式屬于創(chuàng)建型模式，它提供了一種創(chuàng)建對象的最佳方式。

這種模式涉及到一個單一的類，該類負(fù)責(zé)創(chuàng)建自己的對象，同時確保只有單個對象被創(chuàng)建。這個類提供了一種訪問其唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實例化該類的對象。

注意：

• 1、單例類只能有一個實例。
• 2、單例類必須自己創(chuàng)建自己的唯一實例。
• 3、單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

介紹

意圖：保證一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點。

主要解決：一個全局使用的類頻繁地創(chuàng)建與銷毀。

何時使用：當(dāng)您想控制實例數(shù)目，節(jié)省系統(tǒng)資源的時候。

如何解決：判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)有這個單例，如果有則返回，如果沒有則創(chuàng)建。

關(guān)鍵代碼：構(gòu)造函數(shù)是私有的。

應(yīng)用實例： 1、一個黨只能有一個主席。 2、Windows 是多進程多線程的，在操作一個文件的時候，就不可避免地出現(xiàn)多個進程或線程同時操作一個文件的現(xiàn)象，所以所有文件的處理必須通過唯一的實例來進行。 3、一些設(shè)備管理器常常設(shè)計為單例模式，比如一個電腦有兩臺打印機，在輸出的時候就要處理不能兩臺打印機打印同一個文件。

優(yōu)點： 1、在內(nèi)存里只有一個實例，減少了內(nèi)存的開銷，尤其是頻繁的創(chuàng)建和銷毀實例（比如管理學(xué)院首頁頁面緩存）。 2、避免對資源的多重占用（比如寫文件操作）。

缺點：沒有接口，不能繼承，與單一職責(zé)原則沖突，一個類應(yīng)該只關(guān)心內(nèi)部邏輯，而不關(guān)心外面怎么樣來實例化。

使用場景： 1、要求生產(chǎn)唯一序列號。 2、WEB 中的計數(shù)器，不用每次刷新都在數(shù)據(jù)庫里加一次，用單例先緩存起來。 3、創(chuàng)建的一個對象需要消耗的資源過多，比如 I/O 與數(shù)據(jù)庫的連接等。

注意事項：getInstance() 方法中需要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class) 防止多線程同時進入造成 instance 被多次實例化。

實現(xiàn)

我們將創(chuàng)建一個 SingleObject 類。SingleObject 類有它的私有構(gòu)造函數(shù)和本身的一個靜態(tài)實例。

SingleObject 類提供了一個靜態(tài)方法，供外界獲取它的靜態(tài)實例。SingletonPatternDemo，我們的演示類使用 SingleObject 類來獲取 SingleObject 對象。

步驟 1

創(chuàng)建一個 Singleton 類。

SingleObject.java

public class SingleObject {

    //創(chuàng)建 SingleObject 的一個對象
    private static SingleObject instance = new SingleObject();

    //讓構(gòu)造函數(shù)為 private，這樣該類就不會被實例化
    private SingleObject(){}

    //獲取唯一可用的對象
    public static SingleObject getInstance(){
        return instance;
    }

    public void showMessage(){
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

步驟 2

從 singleton 類獲取唯一的對象。

SingletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {

        //不合法的構(gòu)造函數(shù)
        //編譯時錯誤：構(gòu)造函數(shù) SingleObject() 是不可見的
        //SingleObject object = new SingleObject();

        //獲取唯一可用的對象
        SingleObject object = SingleObject.getInstance();

        //顯示消息
        object.showMessage();
    }
}

步驟 3

驗證輸出。

Hello World!

單例模式的幾種實現(xiàn)方式

單例模式的實現(xiàn)有多種方式，如下所示：

1、懶漢式，線程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：否

實現(xiàn)難度：易

描述：這種方式是最基本的實現(xiàn)方式，這種實現(xiàn)最大的問題就是不支持多線程。因為沒有加鎖 synchronized，所以嚴(yán)格意義上它并不算單例模式。
這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工作。

代碼實例：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

接下來介紹的幾種實現(xiàn)方式都支持多線程，但是在性能上有所差異。

2、懶漢式，線程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實現(xiàn)難度：易

描述：這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。
優(yōu)點：第一次調(diào)用才初始化，避免內(nèi)存浪費。
缺點：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。
getInstance() 的性能對應(yīng)用程序不是很關(guān)鍵（該方法使用不太頻繁）。

代碼實例：

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

3、餓漢式

是否 Lazy 初始化：否

是否多線程安全：是

實現(xiàn)難度：易

描述：這種方式比較常用，但容易產(chǎn)生垃圾對象。
優(yōu)點：沒有加鎖，執(zhí)行效率會提高。
缺點：類加載時就初始化，浪費內(nèi)存。
它基于 classloder 機制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時就實例化，雖然導(dǎo)致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數(shù)都是調(diào)用 getInstance 方法， 但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態(tài)方法）導(dǎo)致類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達(dá)到 lazy loading 的效果。

代碼實例：

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

4、雙檢鎖/雙重校驗鎖（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實現(xiàn)難度：較復(fù)雜

描述：這種方式采用雙鎖機制，安全且在多線程情況下能保持高性能。
getInstance() 的性能對應(yīng)用程序很關(guān)鍵。

代碼實例：

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

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

5、登記式/靜態(tài)內(nèi)部類

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實現(xiàn)難度：一般

描述：這種方式能達(dá)到雙檢鎖方式一樣的功效，但實現(xiàn)更簡單。對靜態(tài)域使用延遲初始化，應(yīng)使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用于靜態(tài)域的情況，雙檢鎖方式可在實例域需要延遲初始化時使用。
這種方式同樣利用了 classloder 機制來保證初始化 instance 時只有一個線程，它跟第 3 種方式不同的是：第 3 種方式只要 Singleton 類被裝載了，那么 instance 就會被實例化（沒有達(dá)到 lazy loading 效果），而這種方式是 Singleton 類被裝載了，instance 不一定被初始化。因為 SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有顯示通過調(diào)用 getInstance 方法時，才會顯示裝載 SingletonHolder 類，從而實例化 instance。想象一下，如果實例化 instance 很消耗資源，所以想讓它延遲加載，另外一方面，又不希望在 Singleton 類加載時就實例化，因為不能確保 Singleton 類還可能在其他的地方被主動使用從而被加載，那么這個時候?qū)嵗?instance 顯然是不合適的。這個時候，這種方式相比第 3 種方式就顯得很合理。

代碼實例：

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

    private Singleton() {
    }

    public static final Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

6、枚舉

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多線程安全：是

實現(xiàn)難度：易

描述：這種實現(xiàn)方式還沒有被廣泛采用，但這是實現(xiàn)單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支持序列化機制，絕對防止多次實例化。
這種方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多線程同步問題，而且還自動支持序列化機制，防止反序列化重新創(chuàng)建新的對象，絕對防止多次實例化。不過，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實際工作中，也很少用。
不能通過 reflection attack 來調(diào)用私有構(gòu)造方法。

代碼實例：

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}  

經(jīng)驗之談：一般情況下，不建議使用第 1 種和第 2 種懶漢方式，建議使用第 3 種餓漢方式。只有在要明確實現(xiàn) lazy loading 效果時，才會使用第 5 種登記方式。如果涉及到反序列化創(chuàng)建對象時，可以嘗試使用第 6 種枚舉方式。如果有其他特殊的需求，可以考慮使用第 4 種雙檢鎖方式。