设计模式（3）——单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是Java中最简单的设计模式之一。这种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。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

（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）单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

单例介绍

意图：保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决：一个全局使用的类频繁的创建与销毁。

何时使用：想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个实例，有则返回，没有则创建。

关键代码：构造函数私有。

应用实例：1、一个党只能有一个主席；

                 2、windows是多进程多线程的，在操作一个文件时，会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，所以所有文件的处理必须通过唯一                         的实例来进行。

                 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如打印时，就要避免多台打印机打印同一个文件的现象。

优点：1、减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例。2、避免对资源的多重占用。

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。

适用场景：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，用单例缓存起来。3、创建的一个对象要消耗的资源过多，比如I/O与数据库的连接等。

注意事项：getInstance()方法中需要使用同步锁synchronized(Singleton.class)防止多线程同时进入造成instance被多次实例化。

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo，我们的演示类使用 SingleObject 类来获取SingleObject 对象。

步骤 1

创建一个 Singleton 类。

SingleObject.java

public class SingleObject {// 创建 SingleObject 的一个对象private static SingleObject instance = new SingleObject();// 让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化private SingleObject() {}// 获取唯一可用的对象public static SingleObject getInstance() {return instance;}public void showMessage() {System.out.println("Hello World.");}}

步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。

SingletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo {public static void main(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 singleObject = new SingleObject();// 获取唯一可用的对象SingleObject singleObject = SingleObject.getInstance();// 显示消息singleObject.showMessage();}}

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

是否线程安全：否

实现难易度：易

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种方式实现的最大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，多线程不能正常工作。

代码实例：

public class SingletonCase1 {private static SingletonCase1 instance;private SingletonCase1() {}public static SingletonCase1 getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingletonCase1();}return instance;}}

2、懒汉式，线程安全

是否lazy初始化：是

是否多线程安全：是

实现难易程度：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）。

代码实例：

public class SingletonCase2 {private static SingletonCase2 instance;private SingletonCase2() {}public static synchronized SingletonCase2 getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingletonCase2();}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 SingletonCase3 {private static SingletonCase3 instance = new SingletonCase3();private SingletonCase3() {}public static SingletonCase3 getInstance() {return instance;}}<h3 style="border: 0px; margin: 8px 0px; padding: 0px; font-size: 1.4em; color: rgb(51, 51, 51); font-family: 'Open Sans', 'Helvetica Neue', Helvetica, Arial, STHeiti, 'Microsoft Yahei', sans-serif;">6、枚举</h3>

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 SingletonCase4 {private volatile static SingletonCase4 instance;private SingletonCase4() {}public static SingletonCase4 getInstance() {if (instance == null) {synchronized (SingletonCase4.class) {if (instance == null) {instance = new SingletonCase4();}}}return instance;}}

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 SingletonCase5 {private static class SingletonHolder {private static final SingletonCase5 INSTANCE = new SingletonCase5();}private SingletonCase5() {}public static final SingletonCase5 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;// 此处方法可以任自己定义public void anyMethod() {}}

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。