单例模式

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

单例模式的多种写法？？

1）并发安全

2）防止反射

3) 防止序列化

介绍

意图：保证一个类仅有一个实例，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地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例： 1、一个x只能有一个Xx。 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，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，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，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点： 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。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。使用场景： 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，用单例先缓存起来。 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，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。

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。

实际案例

类信息概览：

类名	说明
Main.java	方法的总入口
DCL.java	双检锁/双重校验锁
LazyUnsafe.java	懒汉模式
LazySafe.java	懒汉模式
StaticInnerClass.java	静态内部类
EnumSingleton.java	枚举
Desired.java	饥汉模式

定义

DCL.java

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/**
 * 双重锁校验的单例
 */
public class DoubleLock implements Serializable{

    public static volatile DoubleLock doubleLock = null;//volatile防止指令重排序，内存可见(缓存中的变化及时刷到主存，并且其他的内存失效，必须从主存获取)

    private DoubleLock(){
        //构造器必须私有  不然直接new就可以创建
    }

    public static DoubleLock getInstance(){
        //第一次判断，假设会有好多线程，如果doubleLock没有被实例化，那么就会到下一步获取锁，只有一个能获取到，
        //如果已经实例化，那么直接返回了，减少除了初始化时之外的所有锁获取等待过程
        if(doubleLock == null){
            synchronized (DoubleLock.class){
                //第二次判断是因为假设有两个线程A、B,两个同时通过了第一个if，然后A获取了锁，进入然后判断doubleLock是null，他就实例化了doubleLock，然后他出了锁，
                //这时候线程B经过等待A释放的锁，B获取锁了，如果没有第二个判断，那么他还是会去new DoubleLock()，再创建一个实例，所以为了防止这种情况，需要第二次判断
                if(doubleLock == null){
                    //下面这句代码其实分为三步：
                    //1.开辟内存分配给这个对象
                    //2.初始化对象
                    //3.将内存地址赋给虚拟机栈内存中的doubleLock变量
                    //注意上面这三步，第2步和第3步的顺序是随机的，这是计算机指令重排序的问题
                    //假设有两个线程，其中一个线程执行下面这行代码，如果第三步先执行了，就会把没有初始化的内存赋值给doubleLock
                    //然后恰好这时候有另一个线程执行了第一个判断if(doubleLock == null)，然后就会发现doubleLock指向了一个内存地址
                    //这另一个线程就直接返回了这个没有初始化的内存，所以要防止第2步和第3步重排序
                    doubleLock = new DoubleLock();
                }
            }
        }
        return doubleLock;
    }

}

LazyUnsafe.java

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package com.ryo.design.pattern.note.singleton.core;

/**
 * 懒汉非线程安全
 * @author houbinbin
 * @version 1.0
 * @on 17/2/28
 * @since 1.7
 */
public class LazyUnsafe {

    private static LazyUnsafe instance;

    /**
     * 构造器私有化
     */
    private LazyUnsafe(){}

    /**
     *
     是否 Lazy 初始化：是
     是否多线程安全：否
     实现难度：易
     描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的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，在多线程不能正常工作。
     * @return
     */
    public static LazyUnsafe getInstance() {
        if(null == instance) {
            return new LazyUnsafe();
        }
        return instance;
    }
}

LazySafe.java

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package com.ryo.design.pattern.note.singleton.core;

/**
 * 懒汉式，线程安全
 * @author houbinbin
 * @version 1.0
 * @on 17/2/28
 * @since 1.7
 */
public class LazySafe {

    private static LazySafe instance;

    /**
     * 构造器私有化
     */
    private LazySafe(){}

    /**
     *
     是否 Lazy 初始化：是
     是否多线程安全：是
     实现难度：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% 情况下不需要同步。
     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）。
     * @return
     */
    public static synchronized LazySafe getInstance() {
        if(null == instance) {
            instance = new LazySafe();
            return instance;
        }
        return instance;
    }
}

StaticInnerClass.java

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package com.ryo.design.pattern.note.singleton.core;

/**
 * 登记式/静态内部类
 * @author houbinbin
 * @version 1.0
 * @on 17/2/28
 * @since 1.7
 */
public class StaticInnerClass {

    private static class SingletonHolder{
        private static StaticInnerClass INSTANCE = new StaticInnerClass();
    }

    /**
     * 构造器私有化
     */
    private StaticInnerClass(){}

    /**
     *
     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。
     * @return
     */
    public static StaticInnerClass getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

EnumSingleton.java

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package com.ryo.design.pattern.note.singleton.core;

/**
 * @author houbinbin
 * @version 1.0
 * @on 17/2/28
 * @since 1.7
 */
public enum  EnumSingleton {

    /**
     * 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。
     */
    INSTANCE;

}

Desired.java

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package com.ryo.design.pattern.note.singleton.core;

/**
 * 饿汉式
 * @author houbinbin
 * @version 1.0
 * @on 17/2/28
 * @since 1.7
 */
public class Desired {

    private static Desired instance = new Desired();

    /**
     * 构造器私有化
     */
    private Desired(){}

    /**
     *
     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 classLoader 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。

     * @return
     */
    public static Desired getInstance() {
        return instance;
    }
}

测试

Main.java

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/*
 * DO NOT ALTER OR REMOVE COPYRIGHT NOTICES OR THIS HEADER.
 * Copyright (c) 2012-2018. houbinbini Inc.
 * design-pattern All rights reserved.
 */

package com.ryo.design.pattern.note.singleton.core;

/**
 * <p> </p>
 *
 * <pre> Created: 2018/5/9 下午7:20  </pre>
 * <pre> Project: design-pattern  </pre>
 *
 * @author houbinbin
 * @version 1.0
 * @since JDK 1.7
 */
public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        LazySafe lazySafe = LazySafe.getInstance();
        LazySafe lazySafe2 = LazySafe.getInstance();
        System.out.println(lazySafe == lazySafe2);
    }

}

测试结果

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true

实现方式

UML & Code

UML

UML 图示如下

Code

代码地址

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