Java設計模式（三）之建立型模式：單例模式
一、概念：
java中單例模式是一種常見的設計模式，單例模式的寫法有好幾種，這裡主要介紹三種：懶漢式單例、餓漢式單例、登記式單例。
單例模式有以下特點：
（1）單例類只能有一個例項；
（2）單例類必須自己建立自己的唯一例項；
（3）單例類必須給所有其他物件提供這一例項。
單例模式確保某個類只有一個例項，而且自行例項化並向整個系統提供這個例項的全域性訪問點，在計算機系統中，執行緒池、快取、日誌物件、對話方塊、印表機、顯示卡的驅動程式物件常被設計成單例。這些應用都或多或少具有資源管理器的功能。每臺計算機可以有若干個印表機，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個列印作業同時輸出到印表機中。每臺計算機可以有若干通訊埠，系統應當集中管理這些通訊埠，以避免一個通訊埠同時被兩個請求同時呼叫。總之，選擇單例模式就是為了避免不一致狀態，避免政出多頭。
二、懶漢式單例：
//懶漢式單例類.在第一次呼叫的時候例項化自己 public class Singleton { private Singleton() {} private static Singleton single=null; //靜態工廠方法 public static Singleton getInstance() { if (single == null) { single = new Singleton(); } return single; } }
Singleton通過將構造方法限定為private 避免了類在外部被例項化，在同一個虛擬機器範圍內，Singleton 的唯一例項只能通過getInstance()方法訪問。（事實上，通過Java反射機制是能夠例項化構造方法為private的類的，那基本上會使所有的Java單例實現失效。此問題在此處不做討論，姑且掩耳盜鈴地認為反射機制不存在。）
但是以上懶漢式單例的實現沒有考慮執行緒安全問題，它是執行緒不安全的，併發環境下很可能出現多個Singleton例項，要實現執行緒安全，有以下三種方式，都是對getInstance這個方法改造，保證了懶漢式單例的執行緒安全：
1、在getInstance方法上加同步：
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (single == null) {
single = new Singleton();
}
return single;
}
在方法呼叫上加了同步，雖然執行緒安全了，但是每次都要同步，會影響效能，畢竟99%的情況下是不需要同步的。
2、雙重檢查鎖定：
//懶漢式單例類.在第一次呼叫的時候例項化自己
public class Singleton {
private Singleton() {}
private volatile static Singleton single=null;
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}（1）為什麼在getInstance()方法內使用兩個if (singleton == null) 進行判斷呢？
答：試想高併發下，兩個執行緒AB都通過了第一個if。若A先搶到鎖，new了一個物件，釋放鎖，然後B再搶到鎖，此時如果不做第二個if判斷，B執行緒將會再new一個物件。同時確保了只有第一次呼叫單例的時候才會做同步，這樣也是執行緒安全的，同時避免了每次都同步的效能損耗。
（2）volatile 關鍵字的作用？
答：假設沒有關鍵字volatile的情況下，兩個執行緒A、B，都是第一次呼叫該單例方法，執行緒A先執行instance = new Instance()，該構造方法是一個非原子操作，編譯後生成多條位元組碼指令，由於JAVA的指令重排序，可能會先執行instance的賦值操作，該操作實際只是在記憶體中開闢一片儲存物件的區域後直接返回記憶體的引用，之後instance便不為空了，但是實際的初始化操作卻還沒有執行，如果就在此時執行緒B進入，就會看到一個不為空的但是不完整（沒有完成初始化）的Instance物件，所以需要加入volatile關鍵字，禁止指令重排序優化，從而安全的實現單例。
3、靜態內部類：
public class Singleton {
private static class LazyHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}
利用了classloader的機制來保證初始化instance時只有一個執行緒，所以也是執行緒安全的，同時沒有效能損耗，這種比上面1、2都好一些，既實現了執行緒安全，又避免了同步帶來的效能影響。
三、餓漢式單例：
//餓漢式單例類.在類初始化時，已經自行例項化
public class Singleton1 {
private Singleton1() {}
private static final Singleton1 single = new Singleton1();
//靜態工廠方法
public static Singleton1 getInstance() {
return single;
}
}
餓漢式在類建立的同時就已經建立好一個靜態的物件供系統使用，以後不再改變，所以天生是執行緒安全的。
四、登記式單例：
//類似Spring裡面的方法，將類名註冊，下次從裡面直接獲取。
public class Singleton3 {
private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();
static{
Singleton3 single = new Singleton3();
map.put(single.getClass().getName(), single);
}
//保護的預設構造子
protected Singleton3(){}
//靜態工廠方法,返還此類惟一的例項
public static Singleton3 getInstance(String name) {
if(name == null) {
name = Singleton3.class.getName();
System.out.println("name == null"+"--->name="+name);
}
if(map.get(name) == null) {
try {
map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance());
} catch (InstantiationException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return map.get(name);
}
//一個示意性的商業方法
public String about() {
return "Hello, I am RegSingleton.";
}
public static void main(String[] args) {
Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);
System.out.println(single3.about());
}
}
登記式單例實際上維護了一組單例類的例項，將這些例項存放在一個Map（登記薄）中，對於已經登記過的例項，則從Map直接返回，對於沒有登記的，則先登記，然後返回。
五、餓漢式和懶漢式區別：
1、初始化方面：
（1）餓漢式就是類一旦載入，就把單例初始化完成，保證getInstance的時候，單例是已經存在的了。
（2）而懶漢比較懶，只有當呼叫getInstance的時候，才會去初始化這個單例。
2、執行緒安全方面：
（1）餓漢式天生就是執行緒安全的，可以直接用於多執行緒而不會出現問題。懶漢式本身是非執行緒安全的。
3、效能方方面：
（1）餓漢式在類建立的同時就例項化一個靜態物件出來，不管之後會不會使用這個單例，都會佔據一定的記憶體，但是相應的，在第一次呼叫時速度也會更快，因為其資源已經初始化完成。
（2）懶漢式顧名思義，會延遲載入，在第一次使用該單例的時候才會例項化物件出來，第一次呼叫時要做初始化，如果要做的工作比較多，效能上會有些延遲，之後就和餓漢式一樣了。
什麼是執行緒安全？
如果你的程式碼所在的程序中有多個執行緒在同時執行，而這些執行緒可能會同時執行這段程式碼。如果每次執行結果和單執行緒執行的結果是一樣的，而且其他的變數的值也和預期的是一樣的，就是執行緒安全的。
或者說：一個類或者程式所提供的介面對於執行緒來說是原子操作，或者多個執行緒之間的切換不會導致該介面的執行結果存在二義性,也就是說我們不用考慮同步的問題，那就是執行緒安全的。
六、測試：
以下是一個單例類使用的例子，以懶漢式為例，這裡為了保證執行緒安全，使用了雙重檢查鎖定的方式：
public class TestSingleton {
String name = null;
private TestSingleton() {
}
private static volatile TestSingleton instance = null;
public static TestSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (TestSingleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new TestSingleton();
}
}
}
return instance;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public void printInfo() {
System.out.println("the name is " + name);
}
}
public class TMain {
public static void main(String[] args){
TestStream ts1 = TestSingleton.getInstance();
ts1.setName("jason");
TestStream ts2 = TestSingleton.getInstance();
ts2.setName("0539");
ts1.printInfo();
ts2.printInfo();
if(ts1 == ts2){
System.out.println("建立的是同一個例項");
}else{
System.out.println("建立的不是同一個例項");
}
}
}
執行結果：
the name is 0539
the name is0539
建立的是同一個例項結論：由結果可以得知單例模式為一個面向物件的應用程式提供了物件惟一的訪問點，不管它實現何種功能，整個應用程式都會同享一個例項物件。
七、小結：
1、單例模式的優點：
（1）節約了系統資源。由於系統中只存在一個例項物件，對於一些需要頻繁建立和銷燬物件的系統而言，單例模式無疑節約了系統資源和提高了系統的效能。
（2）因為單例類封裝了它的唯一例項，所以他可以嚴格控制客戶怎麼樣以及何時訪問它。
2、單例模式的缺點：
（1）由於單例模式中沒有抽象層，因此單例類的擴充套件有很大的困難。
（2）單例類職責過重，在一定程度上違背了“單一職責原則”。
3、使用場景：
（1）系統只需要一個例項物件，如系統要求提供一個唯一的序列號生成器，或者需要考慮資源消耗太大而只允許建立一個物件。
（2）客戶呼叫類的單個例項只允許使用一個公共訪問點，除了該公共訪問點，不能通過其他途徑訪問該例項。
原部落格連結：https://blog.csdn.net/jason0539/article/details/23297037?utm_source=blogxgwz47