设计模式之单例模式

本文开始整个设计模式的系列学习，希望通过不断的学习，可以对设计模式有整体的掌握，并在项目中根据实际的情况加以利用。

什么是单例模式？

单例模式是指一个类仅允许创建其自身的一个实例，并提供对该实例的访问权限。它包含静态变量，可以容纳其自身的唯一和私有实例。它被应用于这种场景——用户希望类的实例被约束为一个对象。在需要单个对象来协调整个系统时，它会很有帮助。

特点：

1、单例类只能有一个实例
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例
3、单例类必须给其他所有对象提供这一实例

使用单例模式的注意事项：

1.尽量使用懒加载
2.双重检索实现线程安全
3.构造方法为private
4.定义静态的Singleton instance对象和getInstance()方法

单例模式至少有六种写法。

单例模式的好处

作为一种重要的设计模式，单例模式的好处有：
1、控制资源的使用，通过线程同步来控制资源的并发访问
2、控制实例的产生，以达到节约资源的目的
3、控制数据的共享，在不建立直接关联的条件下，让多个不相关的进程或线程之间实现通信

饿汉式

/**
类加载到内存后，就实例化一个单例，JVM保证线程安全
缺点：不管是否用到，类加载时就完成实例化
*/
public class EagerSingleton
{
    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
    //将single设置成private保证了成员变量的封装性。
    private EagerSingleton()
    {

    }
    //getInstance()方法的修饰符是public，以便供外界其他对象使用，其次它使用了static关键字，即它是一个静态方法，在类外可以直接通过类名来访问，而无须创建TaskManager对象，事实上在类外也无法创建TaskManager对象，因为构造函数是私有的。 
    public static EagerSingleton getInstance()
    {
        return instance;
    }
}

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。但其实通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。

懒汉式

//存在线程不安全问题
public class LazySingleton
{
    private static LazySingleton instance = null;

    private LazySingleton()
    {

    }

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

在getInstance方法上加同步

public class SynchronizedSingleton {
    private static volatile SynchronizedSingleton instance = null;

    private SynchronizedSingleton()  {
    }

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

虽然也是只有一个线程能够执行，假如线程B先执行，线程B获得锁，线程B执行完之后，线程 A获得锁，但是此时没有检查singleton是否为空就直接执行了，所以还会出现两个singleton实例的情况。

双检锁

既然懒汉式是非线程安全的，那就要改进它。最直接的想法是，给getInstance方法加锁不就好了，但是我们不需要给方法全部加锁啊，只需要给方法的一部分加锁就好了。基于这个考虑，引入了双检锁（Double Check Lock，简称DCL）的写法：


public class DoubleCheckLockSingleton {
    private static volatile DoubleCheckLockSingleton instance = null;

    private DoubleCheckLockSingleton()
    {

    }

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

使用volatile 的原因：
对于JVM而言，它执行的是一个个Java指令。在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间， 然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就使出错成为了可能，我们仍然以A、B两个线程为例：

  1. A、B线程同时进入了第一个if判断
  2. A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();
  3. 由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。
  4. B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
  5. 此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

静态内部类

加载一个类时，其内部类不会同时被加载。一个类被加载，当且仅当其某个静态成员（静态域、构造器、静态方法等）被调用时发生。

public class UserSingleton {
    
    /** 私有化构造器 */
    private UserSingleton() {
    }
    /** 对外提供公共的访问方法 */

    public static UserSingleton getInstance() {
        return UserSingletonHolder.INSTANCE;
    }

    /** 写一个静态内部类，里面实例化外部类 */
    private static class UserSingletonHolder {
        private static final UserSingleton INSTANCE = new UserSingleton();
    }
}
  • 静态内部类的实现原理
    Java中静态内部类可以访问其外部类的成员属性和方法，同时，静态内部类只有当被调用的时候才开始首次被加载，利用此特性，可以实现懒汉式，在静态内部类中静态初始化外部类的单一实例即可。
    JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心重复创建的问题。此外该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低效问题。最后instance是在第一次加载UserSingletonHolder类时被创建的，而 UserSingletonHolder类则在调用getInstance方法的时候才会被加载，因此也实现了惰性加载。
  • 为什么这样实现就是单例的？
    因为这个类的实例化是靠静态内部类的静态常量实例化的。
    INSTANCE 是常量，因此只能赋值一次；它还是静态的，因此随着内部类一起加载。
  • 这样实现有什么好处？
    懒汉式的代码有线程安全问题，需要加同步锁才能解决。
    采用静态内部类实现的代码也是懒加载的，只有第一次使用这个单例的实例的时候才加载；同时不会有线程安全问题

枚举类

枚举类实现单例模式是 effective java 作者极力推荐的单例实现模式，因为枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次，设计者充分的利用了枚举的这个特性来实现单例模式，枚举的写法非常简单，而且枚举类型是所用单例实现中唯一一种不会被破坏的单例实现模式。因为枚举类没有构造方法，可以防止反序列化操作。

public enum Singleton 0 {
    INSTANCE;
}

破坏单例模式的方法及解决办法

1、除枚举方式外, 其他方法都会通过反射的方式破坏单例,反射是通过调用构造方法生成新的对象，所以如果我们想要阻止单例破坏，可以在构造方法中进行判断，若已有实例, 则阻止生成新的实例，解决办法如下:

private SingletonObject1(){
    if (instance !=null){
        throw new RuntimeException("实例已经存在，请通过 getInstance()方法获取");
    }
}

2、如果单例类实现了序列化接口Serializable, 就可以通过反序列化破坏单例，所以我们可以不实现序列化接口,如果非得实现序列化接口，可以重写反序列化方法readResolve(), 反序列化时直接返回相关单例对象。

  public Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return instance;
    }

各个实现方式的对比

各个实现方式的对比.png

单例模式在Java中的应用及解读

Runtime是一个典型的例子，看下JDK API对于这个类的解释"每个Java应用程序都有一个Runtime类实例，使应用程序能够与其运行的环境相连接，可以通过getRuntime方法获取当前运行时。应用程序不能创建自己的Runtime类实例。"，这段话，有两点很重要：

1、每个应用程序都有一个Runtime类实例
2、应用程序不能创建自己的Runtime类实例
只有一个、不能自己创建，是不是典型的单例模式？看一下，Runtime类的写法：

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance 
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object. 
     * 
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() { 
    return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}

    ...
}

单例模式的应用场景：

为了节约系统资源，有时需要确保系统中某个类只有唯一一个实例，当这个唯一实例创建成功之后，我们无法再创建一个同类型的其他对象，所有的操作都只能基于这个唯一实例。为了确保对象的唯一性，我们可以通过单例模式来实现。

1.Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式
2.windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。
3.网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。
4. 应用程序的日志应用，一般都使用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。
5.Web应用的配置对象的读取，一般也应用单例模式，这个是由于配置文件是共享的资源
6.数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池，主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗，这种效率上的损耗还是非常昂贵的，用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗。
7.多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式，这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。
8.操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。
9. HttpApplication 也是单例的典型应用

单例模式应用的场景一般发现在以下条件下：
　　（1）资源共享的情况下，避免由于资源操作时导致的性能或损耗等。如上述中的日志文件，应用配置。
　　（2）控制资源的情况下，方便资源之间的互相通信。如线程池等。

关于单例模式的漫画分析：https://mp.weixin.qq.com/s/f-sJIZHr7JUa31gKTllSFQ

单例模式的优缺点、注意事项、使用场景

最后编辑于 ：
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 人面猴
    序言：七十年代末，一起剥皮案震惊了整个滨河市，随后出现的几起案子，更是在滨河造成了极大的恐慌，老刑警刘岩，带你破解...
    沈念sama阅读 212,542评论 6赞 493
  • 死咒
    序言：滨河连续发生了三起死亡事件，死亡现场离奇诡异，居然都是意外死亡，警方通过查阅死者的电脑和手机，发现死者居然都...
    沈念sama阅读 90,596评论 3赞 385
  • 救了他两次的神仙让他今天三更去死
    文/潘晓璐 我一进店门，熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来，“玉大人，你说我怎么就摊上这事。” “怎么了？”我有些...
    开封第一讲书人阅读 158,021评论 0赞 348
  • 道士缉凶录：失踪的卖姜人
    文/不坏的土叔 我叫张陵，是天一观的道长。 经常有香客问我，道长，这世上最难降的妖魔是什么？ 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 56,682评论 1赞 284
  • 港岛之恋（遗憾婚礼）
    正文 为了忘掉前任，我火速办了婚礼，结果婚礼上，老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己，他们只是感情好，可当我...
    茶点故事阅读 65,792评论 6赞 386
  • 恶毒庶女顶嫁案：这布局不是一般人想出来的
    文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着，像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上，一...
    开封第一讲书人阅读 49,985评论 1赞 291
  • 城市分裂传说
    那天，我揣着相机与录音，去河边找鬼。 笑死，一个胖子当着我的面吹牛，可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播，决...
    沈念sama阅读 39,107评论 3赞 410
  • 双鸳鸯连环套：你想象不到人心有多黑
    文/苍兰香墨 我猛地睁开眼，长吁一口气：“原来是场噩梦啊……” “哼！你这毒妇竟也来了？” 一声冷哼从身侧响起，我...
    开封第一讲书人阅读 37,845评论 0赞 268
  • 万荣杀人案实录
    序言：老挝万荣一对情侣失踪，失踪者是张志新（化名）和其女友刘颖，没想到半个月后，有当地人在树林里发现了一具尸体，经...
    沈念sama阅读 44,299评论 1赞 303
  • 护林员之死
    正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡，尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 36,612评论 2赞 327
  • 白月光启示录
    正文 我和宋清朗相恋三年，在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 38,747评论 1赞 341
  • 活死人
    序言：一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡，死状恐怖，灵堂内的尸体忽然破棺而出，到底是诈尸还是另有隐情，我是刑警宁泽，带...
    沈念sama阅读 34,441评论 4赞 333
  • 日本核电站爆炸内幕
    正文 年R本政府宣布，位于F岛的核电站，受9级特大地震影响，放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜，却给世界环境...
    茶点故事阅读 40,072评论 3赞 317
  • 男人毒药：我在死后第九天来索命
    文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹，春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 30,828评论 0赞 21
  • 一桩弑父案，背后竟有这般阴谋
    文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至，却和暖如春，着一层夹袄步出监牢的瞬间，已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 32,069评论 1赞 267
  • 情欲美人皮
    我被黑心中介骗来泰国打工， 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留，地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 46,545评论 2赞 362
  • 代替公主和亲
    正文 我出身青楼，却偏偏与公主长得像，于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子，可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 43,658评论 2赞 350