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  • 单例模式

    单例模式
    为什么会有?
       根据面向对象的原则呢?有些实例在生活中是只能有一个的,比如说 太阳,我们绝对不允许对太阳进行随便new,因为正常情况下只能有一个太阳,我们在地球任何地方看到的太阳必须是同一个,这就是单例模式存在的意义。
    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。
    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。
    单例模式的 UML 图
    步骤 1
    创建一个 Singleton 类。
    SingleObject.java
    1. public class SingleObject {
    2.   //创建 SingleObject 的一个对象
    3.   private static SingleObject instance = new SingleObject();
    4.   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
    5.   private SingleObject(){}
    6.   //获取唯一可用的对象
    7.   public static SingleObject getInstance(){
    8.     return instance;
    9.   }
    10.   public void showMessage(){
    11.     System.out.println("Hello World!");
    12.   }
    13. }

    步骤 2
    从 singleton 类获取唯一的对象。
    SingletonPatternDemo.java
    1. public class SingletonPatternDemo {
    2.   public static void main(String[] args) {
    3.   //不合法的构造函数
    4.   //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
    5.   //SingleObject object = new SingleObject();
    6.   //获取唯一可用的对象
    7.   SingleObject object = SingleObject.getInstance();
    8.   //显示消息object.showMessage();
    9.   }
    10. }

    步骤 3
    验证输出。
    1. 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。
    代码实例：
    1. public class Singleton {  
    2.     private static Singleton instance;  
    3.     private Singleton (){}  
    4.   
    5.     public static Singleton getInstance() {  
    6.     if (instance == null) {  
    7.         instance = new Singleton();  
    8.     }  
    9.     return instance;  
    10.     }  
    11. }


    接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。
    2、懒汉式，线程安全
    是否 Lazy 初始化：是
    是否多线程安全：是
    实现难度：易
    描述：这种方式具备很好的 lazy loading（懒装载：不在初始化时loading,而是推迟到必须loading时才进行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。该方法并不推荐,因为如果将其加上同步锁,会导致在其他线程创建对象时进入等待状态,影响性能.所以该方法适用于
    getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）的情况。

    1. 代码实例：
    2. public class Singleton {  
    3.     private static Singleton instance;  
    4.     private Singleton (){} 
    5. //所有加上synchronized 和 块语句，在多线程访问的时候，同一时刻只能有一个线程能够用synchronized 修饰的方法 或者 代码块 
    6.     public static synchronized Singleton getInstance() {  
    7.     if (instance == null) {  
    8.         instance = new Singleton();  
    9.     }  
    10.     return instance;  
    11.     }  
    12. }


    3、饿汉式(最常用,简单明了)
    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：
    1. public class Singleton {  
    2.     private static Singleton instance = new Singleton();  
    3.     private Singleton (){}  
    4.     public static Singleton getInstance() {  
    5.     return instance;  
    6.     }  
    7. }


    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。但是代码的形式很难看.
    getInstance() 的性能对应用程序很关键。
    代码实例：
    1. public class Singleton {
    2.     //用volatile修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最的值。  
    3.     private volatile static Singleton singleton;  
    4.     private Singleton (){}  
    5.     public static Singleton getSingleton() {  
    6.     if (singleton == null) {  
    7.         synchronized (Singleton.class) {  
    8.         if (singleton == null) {  
    9.             singleton = new Singleton();  
    10.         }  
    11.         }  
    12.     }  
    13.     return singleton;  
    14.     }  
    15. }


    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。(投机取巧的的方法,利用了java的内部类在使用时才会被加载的语言的特性)
    代码实例：
    1. public class Singleton {  
    2.     private static class SingletonHolder {  
    3.     private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    4.     }  
    5.     private Singleton (){}  
    6.     public static final Singleton getInstance() {  
    7.     return SingletonHolder.INSTANCE;  
    8.     }  
    9. }


    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：
    1. public enum Singleton {  
    2.     INSTANCE;  
    3.     public void whateverMethod() {  
    4.     }  
    5. }


    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。
    读取配置文件的单例模式实例:
    1. package singleMode;
    3. import java.io.File;
    4. import java.io.FileInputStream;
    6. import java.util.Properties;
    8. public class Config {
    10. 	/**
    11. 	 * 单例模式实例:
    12. 	 * 一个properties配置文件在一个项目中只能加载一次,
    13. 	 * 但是jdk为我们提供的property对象并不是单例的,如果配置文件需要用到多次,很容易造成多次创建的情况.
    14. 	 * 这里我们的解决方法是:写一个Config类是单例的,并对property进行封装
    15. 	 * 
    16. 	 */
    17. 	private Properties properties;
    18. 	//public Config() {
    19. 	//	super();
    20. 	//}
    23. 	private static Config config = new Config();
    24. 	
    25. 	//1.私有化构造方法;
    26. 	private Config(){
    27. 		properties =new Properties();
    28. 		try {
    29. 			properties.load(new FileInputStream(new File("src/singleMode/config.properties")));
    30. 			//System.out.println("执行了Config的构造方法");
    31. 		} catch (Exception e) {
    32. 			e.printStackTrace();
    33. 			throw new RuntimeException();
    34. 		}
    35. 	}
    36. 	
    37. 	//2.创建共有的getInstance()方法
    38. 	public static Config getInstance(){
    39. 		return config;
    40. 	} 
    41. 	
    42. 	
    43. 	public String getProperty(String key){
    44. 		return properties.getProperty(key);
    45. 	}
    46. }
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