设计模式之（一）单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 编程语言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，它提供了一种创建对象的最佳方式。

    单例模式的意图在于：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。

    何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

    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。

    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。

为了更好便于理解代码的运行机制，请先耐住性子看完以下的知识点：

涉及知识点：线程锁

      ReentrantLock 拥有Synchronized相同的并发性和内存语义，此外还多了 锁投票，定时锁等候和中断锁等候线程A和B都要获取对象O的锁定，假设A获取了对象O锁，B将等待A释放对O的锁定，

      如果使用 synchronized ，如果A不释放，B将一直等下去，不能被中断如果 使用ReentrantLock，如果A不释放，可以使B在等待了足够长的时间以后，中断等待，而干别的事情 

设计知识点：静态成员|静态方法|静态构造函数

一、静态成员(static)

(1) 静态成员属于类所有，非静态成员属于类的实例所有。

(2) 每创建一个类的实例，都会在内存中为非静态成员新分配一块存储；非静态成员属于类所有，为各个类的实例所公用，无论类创建了多少实例，类的静态成员在内存中只占同一块区域。

二、静态方法

(1) 静态方法属于类所有，类实例化前即可使用。

(2) 非静态方法可以访问类中的任何成员，静态方法只能访问类中的静态成员。因为静态方法在类实例化前就可以使用，而类中的非静态变量必须在实例化之后才能分配内存，这样，静态方法调用时无法判断非静态变量使用的内存地址。所以无法使用.而静态变量的地址对类来说是固定的，故可以使用。

三、静态构造函数

(1) 用于对静态字段、只读字段等的初始化。

(2) 添加static关键字，不能添加访问修饰符，因为静态构造函数都是  私自有的。

(3) 类的静态构造函数在给定应用程序域中至多执行一次：只有创建 类的实例或者引用类任何静态成员才激发静态构造函数 .

(4) 静态构造函数是不可继承的，而且不能被直接调用。

(5) 如果类中包含用来开始执行的 Main 方法，则该类的静态构造函 数将在调用 Main 方法之前执行。任何带有初始值设定项的静态字段，则在执行该类的静态构造函数时，先要按照文本顺序执行那些初始值设定项。

(6) 如果没有编写静态构造函数，而这时类中包含带有初始值设定的静态字段，那么编译器会自动生成默认的静态构造函数。

(7) 无参数的构造函数可以与静态构造函数共存。尽管参数列表相同， 但一个属于类，一个属于实例，所以不会冲突。  MSDN对静态构造函数的解释:   静态构造函数用于初始化任何静态数据，或用于执行仅需执行一次的特定操作。在创建第一个实例或引用任何静态成员之前，将自动调用静态构造函数。

静态构造函数具有以下特点：

静态构造函数既没有访问修饰符，也没有参数。

如何使用：

    第一步： 创建一个 Singleton 类。

publicclassSingleObject

{

    //创建 SingleObject 的一个对象

    privatestaticSingleObjectinstance=newSingleObject();

    //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化

    privateSingleObject(){}

    //获取唯一可用的对象

    publicstaticSingleObjectgetInstance()

    {

        returninstance;

    }

    publicvoidshowMessage()

    {

        System.out.println("Hello World!");

    }

}

    第二步：从 singleton 类获取唯一的对象。

publicclassSingletonPatternDemo

{

    publicstaticvoidmain(String[]args)

    {

        //不合法的构造函数

        //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的

       //SingleObject object = new SingleObject();

        //获取唯一可用的对象

        SingleObjectobject=SingleObject.getInstance();

        //显示消息object.showMessage();

    }

}

    第三部：验证输出。

    Hello World!

单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，如下所示：

1、懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

实现难度：易

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。

代码实例：

public class Singleton

 {

    private static Singleton instance;

    private Singleton (){}

    public static Singleton getInstance() {

    if (instance == null) 

    {

        instance = new Singleton();

    }

    return instance;

    }

}

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。

2、懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：易

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。

优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。

缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。

getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

涉及知识点：线程锁

代码实例：

public class Singleton

 {

    private static Singleton instance;

    private Singleton (){}

    public static synchronized Singleton getInstance() {

    if (instance == null)

    {

        instance = new Singleton();

    }

    return instance;

    }

}

3、饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。

优点：没有加锁，执行效率会提高。

缺点：类加载时就初始化，浪费内存。

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。

代码实例：

public class Singleton

 {

    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton (){}

    public static Singleton getInstance()

    {

        return instance;

    }

}

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

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。

代码实例：

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、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：一般

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，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 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，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。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，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

代码实例：

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、枚举

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。

这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。

不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

代码实例：

public enum Singleton 

{

    INSTANCE;

    public void whateverMethod()

    {

    }

}

经验之谈：一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。