Java 设计模式之单例模式

在《Head First 设计模式》一书中，将单例模式称作单件模式。这里为了适应大环境，把它称之为大家更熟悉的单例模式。

一、了解单例模式

1.1 什么是单例模式

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个安全访问点。

我们把某个类设计成自己管理的一个单独实例，同时也避免其他类再自行产生实例。想要获取单例实例，通过单例类是唯一的途径。单例类提供对这个实例的全局访问点：当你需要实例时，向类查询，它会返回单个实例。

1.2 单例模式 UML 图解

1.3 单例模式应用场景

• 需要频繁实例化然后销毁的对象。
• 创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象。比如线程池、缓存、日志对象等。
• 有状态的工具类对象。
• 频繁访问数据库或文件的对象。
• 以及要求只有一个对象的场景。

二、单例模式具体应用

2.1 经典的单例模式实现

采用经典单例模式实现代码有一个特点：如果我们不需要这个实例 (调用 getInstance() 方法)，它就永远不会产生。因此这种方式也被称为“延迟实例化”(lazy instantiaze)。也被大家称为“懒汉式”。

单例类 Singleton

package com.jas.singleton;

public class Singleton {
    // 用静态变量来记录 Singleton 类的唯一实例
    private static Singleton uniqueInstance;

    /**
     * 把构造器声明为私有的，只有自己 Singleton 内部才可以调用构造器
     */
    private Singleton(){}

    /**
     * getInstance() 方法来实例化对象
     * 
     * @return Singleton 的实例对象
     */
    public static Singleton getInstance(){
        if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        
        return uniqueInstance;
    }
}

测试类

package com.jas.singleton;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        
        System.out.println(singleton1 == singleton2);
    }
}

     /**
     * 输出
     * true
     */

这虽然是经典的单例模式，但是这样做却存在着一个严重的问题：当多个线程同时访问 getInstance() 方法时，会产生线程安全问题，可能导致产生的实例可能会有多个，这样就违反了单例的原则。

2.2 处理多线程

存在线程安全问题，我们的第一反应可能是加同步锁。就像下面这样，这样做是可以解决线程安全问题，但是却降低了性能。因为只有在第一次执行该方法的时候，才真正需要同步。之后再调用此方法，同步反而会成为一种累赘。

    /**
     * 通过 synchronized 关键字，来保证不会同时有两个线程进入该方法
     * 
     * @return Singleton 的实例对象
     */
    public synchronized static Singleton getInstance(){
        if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        
        return uniqueInstance;
    }

2.3 改善多线程问题

为了符合大多数 Java 程序，很明显地，我们需要确保单例模式能在多线程的情况下正常工作。但是同步的做法会击垮其性能，所以提供以下几种方法来解决问题。

（1） 直接同步

直接同步虽然会降低性能，但是如果你的程序可以承受 getInstance() 造成的额外代价，同步确实是一种既简单又有效的方法。但是你必须知道，同步一个方法，可能会使程序的执行效率下降几十倍。因此，如果你需要频繁使用单例对象，那么你就要重新考虑设计了。

（2） “急切”创建实例

如果应用程序总是创建并使用单例创建的对象，或者在创建和运行时方面的负担不太严重，你可以急切 (early) 创建此对象。这种方式也被大家称为“恶汉式”。就像下面这样

package com.jas.singleton;

public class Singleton {
    //在静态初始化器中创建对象，用来保证线程安全
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return uniqueInstance;
    }
}

利用上面这种做法，我们依赖 JVM 在加载这个类时马上创建此唯一的实例。JVM 保证在任何时候任何线程访问 getInstance() 方法之前，一定会先创建此实例。这样一来就可以解决多线程之间的安全问题。

（3）双重检验加锁

利用双重检验加锁 (double-checked locking)，首先检查实例是否已经被创建了，如果未创建，“才”开始同步。这样一来，只有第一次会同步，这样做正是我们想要的。

package com.jas.singleton;

public class Singleton {
    //volatile 关键字用来保证内存可见性，使多线程正确处理 uniqueInstance 对象
    private static volatile Singleton uniqueInstance;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        //使用这种方式，只有第一次才会彻底访问并执这里的代码
        if(uniqueInstance == null){     //检查实例，如果不存在进入同步区
            synchronized (Singleton.class){
                if(uniqueInstance == null){     //进入同步区后，再检查一次。如果为 null，才开始创建实例
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

如果你性能是你关心的重点，那么这种方式会帮你大大减少访问 getInstance() 时的时间消耗。需要在注意的是：这种双重检验加锁的方式并不适用于 1.4 及之前更早的版本。

三、单例模式总结

3.1 优缺点总结

优点

• 实例控制：单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。
• 灵活性：因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。

缺点

• 开销：虽然数量很少，但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例。
• 可能的开发混淆：使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用 new 关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。
• 对象生存期：不能解决删除单个对象的问题。在提供内存管理的语言，只有单例类能够导致实例被取消分配，因为它包含对该实例的私有引用。

3.2 部分知识总结

• 单例模式确保程序中一个类最多只有一个实例。单例模式也提供访问这个实例的全局点。
• 如果你使用多个类加载器，可能导致单例模式失效，从而产生多个实例。
• 确定性能和资源上的限制，我们应当选择合适的方案来实现单例模式。

参考资料

• 《Head First 设计模式》
• https://www.cnblogs.com/tufujie/p/5614682.html