单例模式-SingletonPattern

定义

Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.（确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并对整个系统提供这个实例。）

角色

Singleton：单例类

Singleton 类通过通过 private 修饰的构造函数使该类不可以被外部实例化，从而保证全局唯一的实例。

使用场景

在系统中，要求该类的对象有且仅有一个，多个的情况下可能会出现性能下降等不良反应，此时就应该使用 Singleton 。

• 在要求生成唯一序列号的环境中
• 数据库连接以及频繁的 IO 等消耗大量资源的环境中。
• 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如一个Web页面上的计数器，可以不用把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保是线程安全的
• 需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式

Singleton 优点

• 由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。

• 由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决（在Java EE中采用单例模式时需要注意JVM垃圾回收机制）。

• 单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。

• 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

Singleton 的缺点

• 单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。单例模式为什么不能增加接口呢？因为接口对单例模式是没有任何意义的，它要求“自行实例化”，并且提供单一实例、接口或抽象类是不可能被实例化的。当然，在特殊情况下，单例模式可以实现接口、被继承等，需要在系统开发中根据环境判断。

• 单例模式对测试是不利的。在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。

• 单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中

注意事项

在单例使用过程中，要注意在并发的情况下线程同步问题！避免在多线程的情况下产生多个单例对象，这样就失去了单例的本质。

具体解决方案将会在实现中具体说明，主要依赖 Synchronize 实现同步，再就是通过枚举类保证。

同时在针对单例可能会被反射和序列化破坏，导致单例失效。

如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取，例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类装载器，这样的话如果有两个servlet访问一个单例类，它们就都会有各自的实例。具体查看[饿汉模式]

具体实现

单例模式实现有多重方式，其中包括线程安全和线程不安全两大类。

线程不安全

懒汉模式

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1public class Singleton {  
2    private static Singleton instance;  
3    private Singleton (){}  
4
5    public static Singleton getInstance() { 
6    //在用到时才会被初始化
7    if (instance == null) {  
8        instance = new Singleton();  
9    }  
10    return instance;  
11    }  
12}

线程安全

懒汉模式

这种方式能够保证在多线程的情况下，保证安全，而且也能保证只有在用到时才会被初始化，但问题的对整个方法同步性能很差。

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1public class Singleton {  
2    private static Singleton instance;  
3    private Singleton (){}  
4    //synchronized进行同步
5    public static synchronized Singleton getInstance() { 
6    //在用到时才会被初始化
7    if (instance == null) {  
8        instance = new Singleton();  
9    }  
10    return instance;  
11    }  
12}

饿汉模式

该种方式是在类被加载是就已经进行了初始化，借助于类加载机制保证了线程安全，避免了在多线程的情况下需要进行同步，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。

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1public class Singleton {  
2    private static Singleton instance = new Singleton();  
3    private Singleton (){}  
4    public static Singleton getInstance() {  
5    return instance;  
6    }  
7}

静态内部类

这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟饿汉模式不同的是（很细微的差别）：饿汉模式是只要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，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保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，这种方式相比饿汉模式就显得很合理。

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1public class Singleton{
2    private Singleton(){}
3    private static class SingletonHolder{
4        private static final Singleton instance = new Singleton();
5    }
6    public static Singleton getInstance(){
7        return SingletonHolder.instance;
8    }
9}

枚举实现

目前被推荐最多的实现方式，同样在第三版的《Effective Java》中被大佬推荐的方式，由于枚举类型的天生线程安全的优势，避免了手动同步，而且在其他实现方式中可以被反序列化的问题也得到了解决。墙裂推荐。

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1public emum Singleton{
2    INSTANCE;
3    public void udf(){
4    }
5}

双重检查🔒实现

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1public class Singleton {  
2    private volatile static Singleton singleton;  
3    private Singleton (){}  
4    public static Singleton getSingleton() {  
5    if (singleton == null) {  
6        synchronized (Singleton.class) {  
7        if (singleton == null) {  
8            singleton = new Singleton();  
9        }  
10        }  
11    }  
12    return singleton;  
13    }  
14}

总结

单例模式作为最普遍的设计模式，无论在实践还是面试中都会经常遇到，可具体分为五种，懒汉模式、饿汉模式、静态内部类模式、枚举模式、双重检查🔒模式。需要重点掌握枚举模式、双重检查🔒模式

参考资料

设计模式 设计模式之禅 [转+注]单例模式的七种写法-HollisChuang's Blog 深度分析Java的枚举类型—-枚举的线程安全性及序列化问题-HollisChuang's Blog