设计模式——单例模式

来源：互联网发布：分手后知乎编辑：程序博客网时间：2024/06/02 07:19

在java开发中，我们难免会用到设计模式。

什么是设计模式？

设计模式是我们前面前任开发经验的总结，个人认为是符合良好代码规范，具有优秀编程思想的最佳实践，且规避一些可能引起Bug的设计方法。

下面我来简单总结下单例模式吧，单例模式是我们常用到的设计模式。

一、什么是单例模式？

单例模式，是只允许在程序运行中一个类中只有一个实例存在，而且自动实例化向整个应用提供这个实例。

单例模式的三个特性：

1.单例类中只有一个实例存在。

2.单例类自动实例化。

3.单例类向整个应用提供这个实例。

二、单例模式的适用场景

在计算机系统中，像连接池，打印机，缓存，日志对象，对话框，某些驱动程序。这些程序往往都被设计成单例模式，为什么我们需要将这些设计成单例模式呢？像连接池，一个应用程序在对数据库进行访问时，需要几个连接池？答案当然是一个，应用在进行数据访问时，没有必要一个请求，我们新建一个连接池出来（极大的消耗了内存，反复创建）。这里就会用到单例模式。

常见的单例模式设计，懒汉模式，恶汉模式，枚举模式，下面我们会对其进行一一举例。

三、懒汉模式

public class singleModel {
//1.特性1
   private singleModel(){}
//2.特性2
   private static singleModel singleModel;
//3.特性3
   public static singleModel getInstance(){
       if(singleModel==null){
           singleModel=new singleModel();
       }
       return singleModel;
   }

}

这里我们写了一个懒汉单例模式，值得一提的是我们怎么实现的这个单例模式，要满足单例模式的基本特性。1.单例类提供一个实例，这里我们用到了私有构造类的方法，这样可以确保调用该方法，只会访问到这一个实例。2.单例类自行实例化，我们使用到了静态方法，确保该类在预加载时会自动装载这个例子。3.单例类向整个应用提供这个实例，public static（公共静态方法向外提供这个方法）。

当然在多线程的使用场景中，这个方法并不是线程安全的。多个线程访问时，会创建出多个实例出来，违反了单例模式的设计初衷，下面我会介绍三种解决线程安全的单例模式。

1.在getInstance上加同步

public static synchronized singleModel getInstance(){
       if(singleModel==null){
           singleModel=new singleModel();
       }
       return singleModel;
   }

这是我们最常用解决线程安全的方式

2.双重锁机制

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

3.内部类方式

public class singleModel {
    private static class LazyHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new singleModel();
     }
     private singleModel (){}
     public static final Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
     }
}

在这三种方法中，内部类的方式性能上是最优的，后面会在多线程中提到同步锁带来的性能开销。

四恶汉模式

public class singleModel1 {

   private singleModel1(){

   }
   private static singleModel1 instance=new singleModel1();

   public static singleModel1 getInstance(){
       return instance;
   }

}
饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

五登记式单例(可忽略)

public class Singleton3 {
    private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();
    static{
        Singleton3 single = new Singleton3();
        map.put(single.getClass().getName(), single);
    }
    //保护的默认构造子
    protected Singleton3(){}
    //静态工厂方法,返还此类惟一的实例
    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);
    }
    //一个示意性的商业方法
    public String about() {
        return "Hello, I am RegSingleton.";
    }
    public static void main(String[] args) {
        Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);
        System.out.println(single3.about());
    }
}

登记式单例实际上维护了一组单例类的实例，将这些实例存放在一个Map（登记薄）中，对于已经登记过的实例，则从Map直接返回，对于没有登记的，则先登记，然后返回。

这里我对登记式单例标记了可忽略，我的理解来说，首先它用的比较少，另外其实内部实现还是用的饿汉式单例，因为其中的static方法块，它的单例在类被装载的时候就被实例化了。

饿汉式和懒汉式区别

从名字上来说，饿汉和懒汉，

饿汉就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了，

而懒汉比较懒，只有当调用getInstance的时候，才回去初始化这个单例。

另外从以下两点再区分以下这两种方式：

1、线程安全：

饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，

懒汉式本身是非线程安全的，为了实现线程安全有几种写法，分别是上面的1、2、3，这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。

2、资源加载和性能：

饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成，

而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。

至于1、2、3这三种实现又有些区别，

第1种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟99%的情况下是不需要同步的，

第2种，在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗

第3种，利用了classloader的机制来保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，所以一般我倾向于使用这一种。

什么是线程安全？

如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作，或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题，那就是线程安全的。

应用

以下是一个单例类使用的例子，以懒汉式为例，这里为了保证线程安全，使用了双重检查锁定的方式：

[java] view plain copy print?

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);
}
}

可以看到里面加了volatile关键字来声明单例对象，既然synchronized已经起到了多线程下原子性、有序性、可见性的作用，为什么还要加volatile呢，原因已经在下面评论中提到，

还有疑问可参考http://www.iteye.com/topic/652440
和http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

[java] view plain copy print?

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("创建的是同一个实例");
}else{
System.out.println("创建的不是同一个实例");
}
}
}

运行结果：

结论：由结果可以得知单例模式为一个面向对象的应用程序提供了对象惟一的访问点，不管它实现何种功能，整个应用程序都会同享一个实例对象。

对于单例模式的几种实现方式，知道饿汉式和懒汉式的区别，线程安全，资源加载的时机，还有懒汉式为了实现线程安全的3种方式的细微差别。

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