定义

  单例模式(Singleton Pattern)：确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。单例模式是一种对象创建型模式。

结构图

要素

• 某个类只能有一个实例
• 必须自行创建这个实例
• 必须自行向整个系统提供这个实例

角色

• Singleton（单例）：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。

示例

  Sunny软件公司承接了一个服务器负载均衡(Load Balance)软件的开发工作，该软件运行在一台负载均衡服务器上，可以将并发访问和数据流量分发到服务器集群中的多台设备上进行并发处理，提高系统的整体处理能力，缩短响应时间。由于集群中的服务器需要动态删减，且客户端请求需要统一分发，因此需要确保负载均衡器的唯一性，只能有一个负载均衡器来负责服务器的管理和请求的分发，否则将会带来服务器状态的不一致以及请求分配冲突等问题。如何确保负载均衡器的唯一性是该软件成功的关键。

import java.util.*;  
  
//负载均衡器LoadBalancer：单例类，真实环境下该类将非常复杂，包括大量初始化的工作和业务方法，考虑到代码的可读性和易理解性，只列出部分与模式相关的核心代码  
class LoadBalancer {  
    //私有静态成员变量，存储唯一实例  
    private static LoadBalancer instance = null;  
    //服务器集合  
    private List serverList = null;  
      
    //私有构造函数  
    private LoadBalancer() {  
        serverList = new ArrayList();  
    }  
      
    //公有静态成员方法，返回唯一实例  
    public static LoadBalancer getLoadBalancer() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new LoadBalancer();  
        }  
        return instance;  
    }  
      
    //增加服务器  
    public void addServer(String server) {  
        serverList.add(server);  
    }  
      
    //删除服务器  
    public void removeServer(String server) {  
        serverList.remove(server);  
    }  
      
    //使用Random类随机获取服务器  
    public String getServer() {  
        Random random = new Random();  
        int i = random.nextInt(serverList.size());  
        return (String)serverList.get(i);  
    }  
}  

class Client {  
    public static void main(String args[]) {  
        //创建四个LoadBalancer对象  
        LoadBalancer balancer1,balancer2,balancer3,balancer4;  
        balancer1 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
        balancer2 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
        balancer3 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
        balancer4 = LoadBalancer.getLoadBalancer();  
          
        //判断服务器负载均衡器是否相同  
        if (balancer1 == balancer2 && balancer2 == balancer3 && balancer3 == balancer4) {  
            System.out.println("服务器负载均衡器具有唯一性！");  
        }  
          
        //增加服务器  
        balancer1.addServer("Server 1");  
        balancer1.addServer("Server 2");  
        balancer1.addServer("Server 3");  
        balancer1.addServer("Server 4");  
          
        //模拟客户端请求的分发  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            String server = balancer1.getServer();  
            System.out.println("分发请求至服务器： " + server);  
      }  
    }  
}  

存在问题
  当第一次调用getLoadBalancer()方法创建并启动负载均衡器时，instance对象为null值，因此系统将执行代码instance= new LoadBalancer()，在此过程中，由于要对LoadBalancer进行大量初始化工作，需要一段时间来创建LoadBalancer对象。而在此时，如果再一次调用getLoadBalancer()方法（通常发生在多线程环境中），由于instance尚未创建成功，仍为null值，判断条件(instance== null)为真值，因此代码instance= new LoadBalancer()将再次执行，导致最终创建了多个instance对象，这违背了单例模式的初衷，也导致系统运行发生错误。
解决方案

• 饿汉式单例类

  
  

class EagerSingleton {   
    private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();   
    private EagerSingleton() { }   
  
    public static EagerSingleton getInstance() {  
        return instance;   
    }     
}  

• 懒汉式单例类与线程锁定

  
  

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

存在问题：每次调用getInstance()时都需要进行线程锁定判断，在多线程高并发访问环境中，将会导致系统性能大大降低

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

存在问题：假如在某一瞬间线程A和线程B都在调用getInstance()方法，此时instance对象为null值，均能通过instance == null的判断。由于实现了synchronized加锁机制，线程A进入synchronized锁定的代码中执行实例创建代码，线程B处于排队等待状态，必须等待线程A执行完毕后才可以进入synchronized锁定代码。但当A执行完毕时，线程B并不知道实例已经创建，将继续创建新的实例，导致产生多个单例对象。
进一步解决方案：双重检查锁定(Double-Check Locking)

class LazySingleton {   
    private volatile static LazySingleton instance = null;   
  
    private LazySingleton() { }   
  
    public static LazySingleton getInstance() {   
        //第一重判断  
        if (instance == null) {  
            //锁定代码块  
            synchronized (LazySingleton.class) {  
                //第二重判断  
                if (instance == null) {  
                    instance = new LazySingleton(); //创建单例实例  
                }  
            }  
        }  
        return instance;   
    }  
}  

饿汉式单例类与懒汉式单例类比较

• 饿汉式单例类在类被加载时就将自己实例化，它的优点在于无须考虑多线程访问问题，可以确保实例的唯一性；从调用速度和反应时间角度来讲，由于单例对象一开始就得以创建，因此要优于懒汉式单例。但是无论系统在运行时是否需要使用该单例对象，由于在类加载时该对象就需要创建，因此从资源利用效率角度来讲，饿汉式单例不及懒汉式单例，而且在系统加载时由于需要创建饿汉式单例对象，加载时间可能会比较长。
• 懒汉式单例类在第一次使用时创建，无须一直占用系统资源，实现了延迟加载，但是必须处理好多个线程同时访问的问题，特别是当单例类作为资源控制器，在实例化时必然涉及资源初始化，而资源初始化很有可能耗费大量时间，这意味着出现多线程同时首次引用此类的机率变得较大，需要通过双重检查锁定等机制进行控制，这将导致系统性能受到一定影响。

进一步解决方案：Initialization Demand Holder (IoDH)的技术

关键：Java虚拟机来保证其线程安全性
//Initialization on Demand Holder  
class Singleton {  
    private Singleton() {  
    }  
      
    private static class HolderClass {  
            private final static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
      
    public static Singleton getInstance() {  
        return HolderClass.instance;  
    }  
      
    public static void main(String args[]) {  
        Singleton s1, s2;   
            s1 = Singleton.getInstance();  
        s2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(s1==s2);  
    }  
}  

总结

主要优点
(1) 单例模式提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。
(2) 由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象单例模式无疑可以提高系统的性能。
(3) 允许可变数目的实例。基于单例模式我们可以进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例，既节省系统资源，又解决了单例单例对象共享过多有损性能的问题。

主要缺点
(1) 由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
(2) 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
(3) 现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的共享对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致共享的单例对象状态的丢失。

适用场景

(1) 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
(2) 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。