单例模式

单例模式

一. 意图

      对于某些类来说，我们其实只需要有一个实例化的对象。比如：注册表，资源管理器，打印机驱动程序等等。

如果我们保证以上的类只有一个实例，并只提供一个统一的访问点的话。系统中便可以统一管理这个对象。

以上类只有一个实例，同时也可以节约系统资源，保证对象信息的一致性。

    我们可以通过单例模式来确保对象的唯一性。

二. 定义

      确保某一个类只有一个实例，只提供一个全局访问点，该类自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类就是单例类。

    类图：

   

三. 单例模式实现的三个要点

1. 要保证类只有一个实例，就要禁止类的外部直接使用new来创建对象。把单例类的构造函数的可见性要改为private，只在类的内部使用工厂方法创建实例。
2. 在单例类中定义一个私有的和静态的自己类型的成员变量。
3. 在单例类中定义一个公开的和静态的实例化方法。在实例化方法中判断成员变量 是否实例化。如果没有实例化，则创建一个自身实例。如果已经创建，就直接返回成员变量。

         代码示例(java)

        

四　饿汉式单例与懒汉式单例

     上述的代码示例，在运行多线程的程序中，可能还是存在一些问题，不能保证对象的唯一性。

例如：有线程1和线程2，同时调用Singleton类的Instance方法。线程1中判断_instance字段为null,对_instance字段进行初始化操作。

     如果Singleton类的初始化信息量大，初始化时间较长。在线程1初始化_instance字段的过程中，假设线程2也调用了Singleton类的Instance方法。如果此时_instance字段还是为null的话，线程2也会对_instance字段进行初始化操作。从而产生了两个Singleton类的实例。Singleton类的实例唯一性无法保证。

     对于多线程的问题，我可以使用饿汉和懒汉单例模式来保证对象的唯一性。

解决方案:

     1.饿汉式单例

• 类图

　　

• 代码示例(java)

• 说明

      当Singleton类加载时，静态变量_instance会被初始化，此时Singleton类的私有构造函数会被调用，单例类的唯一实例就被创建了。

     这样在任何线程调用getInstance()方法之前，Singleton类已经被创建，确保了线程安全。

     2.懒汉式单例

• 类图

     

• 代码示例(java)

    

• 说明
  • 懒汉式单例只有在调用了Instance()方法后，才会实例化对象。并不是类一加载的时候，就实例化单例对象。使用延迟加载技术。
  • 在定义静态变量_instance的时，使用了修饰符volatile。volatile修饰符可确保成员变量_instance在多个线程之间信息同步。但是会降低系统运行的效率。
  • 使用关键字synchronized可以对代码进行了锁定，一个线程在实例化对象的时候，另一个线程就必须等待。可以防止多个线程同时实例化Singleton对象。保证了线程的安全，但是锁定代码降低了系统运行的效率。
  • 使用了双重检查锁定，代码示例对_instance是否为null值,进行了两次判断。

       第一个_instance == null的判断，是有性能上的好处的。因为只有在第一次_instance == null的时候，才会有对代码进行锁定的操作。_instance不为null的时候，就直接返回了_instance对象了。这样对代码进行锁定的操作只会进行一次了。

       如果不进行双重判断，还是可能将会产生多个单例对象，从而违背单例模式的设计思想。

       假设有线程A和线程B同时调用了Instance()方法，此时_instance为null，线程A和线程B都能通过instance == null的第一次判断。

       由于实现了synchronized加锁机制，线程A和线程B不能同时执行synchronized锁定的代码。

       假设线程A先进入synchronized锁定的代码，实例化Singleton对象。而线程B则处于排队等待状态，它必须等待线程A执行完毕后，才可以进入synchronized锁定的代码中。

       但当线程A实例化完毕后，此时线程B并不知道Singleton对象已经被线程A实例化完毕了。所以必须在synchronized锁定的代码中加上第二个_instance==null的判断。不然线程B将继续创建新的实例，从而导致产生两个单例对象。

   3.饿汉式单例 vs 懒汉式单例

   饿汉式单例

   优点：

       饿汉式单例在类加载的时候就被实例化，无需考虑多线程的问题。代码也不需要锁定，性能上有一定的优势。

   缺点：

       不管系统中是否要引用实例，饿汉式单例在类加载的时候都会创建对象。如果此时系统不需要引用该实例，这样就会造成系统资源的浪费。 

   懒汉式单例

   优点：

       懒汉式单例实现了延迟加载，在类需要被使用时，才会被实例化，不会一直占用系统资源。

   缺点：

       要处理好多线程同时访问的问题，就需要锁定代码，考虑多个线程的同步，这样就会对系统的性能造成一定的影响。

五．总结

    单例模式是一种比较简单的创建型模式，在某种程度上来说它是限制了而不是促进了类的创建。保证类只有一个实例，并只提供一个全局的访问点。在很多应用软件中都有广泛的应用。