java设计模式----单例模式Singleton（一）

转载自：板桥里人 http://www.jdon.com 2002/05/07

定义:
Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在。

在很多操作中，比如建立目录 数据库连接都需要这样的单线程操作。

还有, singleton能够被状态化; 这样，多个单态类在一起就可以作为一个状态仓库一样向外提供服务，比如，你要论坛中的帖子计数器，每次浏览一次需要计数，单态类能否保持住这个计数，并且能synchronize的安全自动加1，如果你要把这个数字永久保存到数据库，你可以在不修改单态接口的情况下方便的做到。

另外方面，Singleton也能够被无状态化。提供工具性质的功能，

Singleton模式就为我们提供了这样实现的可能。使用Singleton的好处还在于可以节省内存，因为它限制了实例的个数，有利于Java垃圾回收（garbage collection）。

我们常常看到工厂模式中类装入器(class loader)中也用Singleton模式实现的,因为被装入的类实际也属于资源。

如何使用?
一般Singleton模式通常有几种形式:

public class Singleton {

　　private Singleton(){}

　　//在自己内部定义自己一个实例，是不是很奇怪？
　　//注意这是private 只供内部调用

　　private static Singleton instance = new Singleton();

　　//这里提供了一个供外部访问本class的静态方法，可以直接访问　　
　　public static Singleton getInstance() {
　　　　return instance; 　　
　　 }
}

第二种形式:

public class Singleton {

　　private static Singleton instance = null;

　　public static synchronized Singleton getInstance() {

　　//这个方法比上面有所改进，不用每次都进行生成对象，只是第一次　　　 　
　　//使用时生成实例，提高了效率！
　　if (instance==null)
　　　　instance＝new Singleton();
　　return instance; 　　}

}

楼主注：这里应该写成这样的形式： private volatile static Singleton instance = null;

使用Singleton.getInstance()可以访问单态类。

上面第二中形式是lazy initialization，也就是说第一次调用时初始Singleton，以后就不用再生成了。

注意到lazy initialization形式中的synchronized，这个synchronized很重要，如果没有synchronized，那么使用getInstance()是有可能得到多个Singleton实例。关于lazy initialization的Singleton有很多涉及double-checked locking (DCL)的讨论，有兴趣者进一步研究。

一般认为第一种形式要更加安全些。

使用Singleton注意事项：
有时在某些情况下，使用Singleton并不能达到Singleton的目的，如有多个Singleton对象同时被不同的类装入器装载；在EJB这样的分布式系统中使用也要注意这种情况，因为EJB是跨服务器，跨JVM的。

我们以SUN公司的宠物店源码(Pet Store 1.3.1)的ServiceLocator为例稍微分析一下：

在Pet Store中ServiceLocator有两种，一个是EJB目录下；一个是WEB目录下，我们检查这两个ServiceLocator会发现内容差不多，都是提供EJB的查询定位服务，可是为什么要分开呢？仔细研究对这两种ServiceLocator才发现区别：在WEB中的ServiceLocator的采取Singleton模式，ServiceLocator属于资源定位，理所当然应该使用Singleton模式。但是在EJB中，Singleton模式已经失去作用，所以ServiceLocator才分成两种，一种面向WEB服务的，一种是面向EJB服务的。

Singleton模式看起来简单，使用方法也很方便，但是真正用好，是非常不容易，需要对Java的类 线程 内存等概念有相当的了解。

转载自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_56d8ea9001010zq3.html

二.java中的double-checked locking

在java中使用单例的类时，最简单的方法可以是：
public Class Singletin{
   private static Singletin instance = new Singletin();
   public static Singletin getInstance(){
      return instance;
   }
}

但是为了使用延迟初始化（不需要在应用启动时就初始化Singletin的instance变量，只是在第一次使用时初始化），经常看看到使用如下的方法：
public Class Singletin{
   private static Singletin instance = null;
   public static Singletin getInstance(){
      if(instance == null){
         synchronized (Singletin.class){
              if(instance == null){                
                  instance = new Singletin();
               }
         }
      }
      return instance;
   }
}

看起来这是一个不错的方法，但是实际上呢？让我们来看看java的内存模型

在多线程环境中，每一个线程有自己的本地内存（local memory），

synchronized进行的操作并不仅仅是用信号量机制进行加锁，还促使线程的本地内存和主内存进行数据同步memory barrier -- a forced synchronization between the thread's local memory and main memory.：进入synchronized区域时，把主内存的变量值读入本地内存，而退出synchronized区域时，把本地内存的变量值写入主 内存。

instance = new Singletin();执行的操作有三步：分配内存, 调用构造函数初始化（初始化各个属性），instance指向分配的内存。但是这个顺序不是固定的，有可能是：分配内存, instance指向分配的内存，调用构造函数初始化（初始化各个属性）。如果在执行到第二步后，另外一个线程进入getInstance函数，首先判断 instance!=null,则直接返回该没有初始化的内存对象，后续的使用就会产生问题。可能有人会说不是退出synchronized的时候才会进 行数据同步吗？这样就不会产生刚刚分配内存，还没有初始化的问题。但是进行数据同步也不是原子的操作，也会同样存在问题。另外由于处理器对内存的 cache也回存在问题。总之导致产生double-checked locking的问题很多，因此很多方法对某一种情况可以避免，但是对另一种情况就不能避免。

在jdk5之后（包含JDK5）之后，可以使用volatile限制来定义instance，能够避免double-checked locking.

public Class Singletin{
   private volatile static Singletin instance = null;
   public static Singletin getInstance(){
      if(instance == null){
         synchronized (Singletin.class){
              if(instance == null){                
                  instance = new Singletin();
               }
         }
      }
      return instance;
   }
}

转载自：http://www.jobui.com/mianshiti/it/java/7019/

三.java中用单例模式有什么好处

Java Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在。 使用Singleton的好处还在于可以节省内存，因为它限制了实例的个数，有利于Java垃圾回收（garbage collection）。

使用单例模式最核心的一点是体现了面向对象封装特性中的“单一职责”和“对象自治”原则。

很多时候我们要保证类的实例只有一个。我们可能在自己的代码中判断需要的类的实例有无，无就new一个。这样看似不错。问题是，你用到这个类的地方有n个，这样你就需要n个判断。为什么不把这个职责交给类本身呢?然后让类提供一个接口访问。
在浏览BBS、SNS网站的时候，常常会看到“当前在线人数”这样的一项内容。对于这样的一项功能，我们通常的做法是把当前的在线人数存放到一个内存、文件或者数据库中，每次用户登录的时候，就会马上从内存、文件或者数据库中取出，在其基础上加1后，作为当前的在线人数进行显示，然后再把它保存回内存、文件或者数据库里，这样后续登录的用户看到的就是更新后的当前在线人数；同样的道理，当用户退出后，当前在线人数进行减1的工作。所以，对于这样的一个需求，我们按照面向对象的设计思想，可以把它抽象为“在线计数器”这样一个对象。

网站代码中凡是用到计数器的地方，只要new一个计数器对象，然后就可以获取、保存、增加或者减少在线人数的数量。不过，我们的代码实际的使用效果并不好。假如有多个用户同时登录,那么在这个时刻，通过计数器取到的在线人数是相同的，于是他们使用各自的计数器加1后存入文件或者数据库。这样操作后续登陆的用户得到的在线人数，与实际的在线人数并不一致。所以，把这个计数器设计为一个全局对象，所有人都共用同一份数据，就可以避免类似的问题，这就是我们所说的单例模式的其中的一种应用。

单例模式能够保证一个类仅有唯一的实例，并提供一个全局访问点。
我们是不是可以通过一个全局变量来实现单例模式的要求呢?我们只要仔细地想想看，全局变量确实可以提供一个全局访问点，但是它不能防止别人实例化多个对象。通过外部程序来控制的对象的产生的个数，势必会系统的增加管理成本，增大模块之间的耦合度。所以，最好的解决办法就是让类自己负责保存它的唯一实例，并且让这个类保证不会产生第二个实例，同时提供一个让外部对象访问该实例的方法。自己的事情自己办，而不是由别人代办，这非常符合面向对象的封装原则。

单例模式主要有3个特点，：
1、单例类确保自己只有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的实例。
3、单例类必须为其他对象提供唯一的实例。

单例模式的实现方式：懒汉单例类和饿汉单例类
单例模式的实现有多种方法，常见的就有懒汉式单例类和饿汉式单例类。我们前面介绍的实现方法就属于懒汉式单例类。

懒汉式单例类
对于懒汉模式，我们可以这样理解：该单例类非常懒，只有在自身需要的时候才会行动，从来不知道及早做好准备。它在需要对象的时候，才判断是否已有对象，如果没有就立即创建一个对象，然后返回，如果已有对象就不再创建，立即返回。
懒汉模式只在外部对象第一次请求实例的时候才去创建。

饿汉式单例
对于饿汉模式，我们可以这样理解：该单例类非常饿，迫切需要吃东西，所以它在类加载的时候就立即创建对象。

我们对比一下懒汉模式和饿汉模式的优缺点：
懒汉模式，它的特点是运行时获得对象的速度比较慢，但加载类的时候比较快。它在整个应用的生命周期只有一部分时间在占用资源。
饿汉模式，它的特点是加载类的时候比较慢，但运行时获得对象的速度比较快。它从加载到应用结束会一直占用资源。
这两种模式对于初始化较快，占用资源少的轻量级对象来说，没有多大的性能差异，选择懒汉式还是饿汉式都没有问题。但是对于初始化慢，占用资源多的重量级对象来说，就会有比较明显的差别了。所以，对重量级对象应用饿汉模式，类加载时速度慢，但运行时速度快；懒汉模式则与之相反，类加载时速度快，但运行时第一次获得对象的速度慢。
从用户体验的角度来说，我们应该首选饿汉模式。我们愿意等待某个程序花较长的时间初始化，却不喜欢在程序运行时等待太久，给人一种反应迟钝的感觉，所以对于有重量级对象参与的单例模式，我们推荐使用饿汉模式。
而对于初始化较快的轻量级对象来说，选用哪种方法都可以。如果一个应用中使用了大量单例模式，我们就应该权衡两种方法了。轻量级对象的单例采用懒汉模式，减轻加载时的负担，缩短加载时间，提高加载效率；同时由于是轻量级对象，把这些对象的创建放在使用时进行，实际就是把创建单例对象所消耗的时间分摊到整个应用中去了，对于整个应用的运行效率没有太大影响。

什么情况下使用单例模式
单例模式也是一种比较常见的设计模式，它到底能带给我们什么好处呢?其实无非是三个方面的作用：
第一、控制资源的使用，通过线程同步来控制资源的并发访问；
第二、控制实例产生的数量，达到节约资源的目的。
第三、作为通信媒介使用，也就是数据共享，它可以在不建立直接关联的条件下，让多个不相关的两个线程或者进程之间实现通信。
比如，数据库连接池的设计一般采用单例模式，数据库连接是一种数据库资源。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。当然，使用数据库连接池还有很多其它的好处，可以屏蔽不同数据数据库之间的差异，实现系统对数据库的低度耦合，也可以被多个系统同时使用，具有高可复用性，还能方便对数据库连接的管理等等。数据库连接池属于重量级资源，一个应用中只需要保留一份即可，既节省了资源又方便管理。所以数据库连接池采用单例模式进行设计会是一个非常好的选择。
在我们日常使用的在Windows中也有不少单例模式设计的组件，象常用的文件管理器。由于Windows操作系统是一个典型的多进程多线程系统，那么在创建或者删除某个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象。采用单例模式设计的文件管理器就可以完美的解决这个问题，所有的文件操作都必须通过唯一的实例进行，这样就不会产生混乱的现象。
再比如，每台计算机可以有若干个打印机，如果每一个进程或者线程都独立地使用打印机资源的话，那么我们打印出来的结果就有可能既包含这个打印任务的一部分，又包含另外一个打印任务的一部分。所以，大多数的操作系统最终为打印任务设计了一个单例模式的假脱机服务Printer Spooler，所有的打印任务都需要通过假脱机服务进行。
实际上，配置信息类、管理类、控制类、门面类、代理类通常被设计为单例类。像Java的Struts、Spring框架，.Net的Spring.Net框架，以及Php的Zend框架都大量使用了单例模式。

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