创建型设计模式--单例模式

一、单例模式

1、什么是单例模式

　　采取一定的方法，使程序中的某个类只存在一个实例对象，且该类对外提供一个获取该对象的方法（一般为静态方法）。

2、单例模式分类

（1）饿汉式（2种写法，线程安全）
　　静态变量
　　静态代码块

（2）懒汉式（3种写法）
　　线程不安全
　　线程安全，同步方法
　　线程安全，同步代码块（不推荐使用）

（3）双重检查（推荐使用）
（4）静态内部类（推荐使用）
（5）枚举（推荐使用）

3、饿汉式单例模式（静态常量版）

（1）步骤：
　　step1：构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
　　step2：在类的内部创建实例对象。
　　step3：向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象。
（2）代码实现：

package singleton.pattern.demo1;

/**
 * 演示 饿汉式单例模式，静态变量版
 *
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getSingleTon();
        Singleton singleton2 = Singleton.getSingleTon();
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // 由于获取的为同一个对象，所以输出为true
    }
}

/**
 * 饿汉式单例模式，静态变量版
 */
class Singleton {
    // 在类的内部创建实例对象。使用静态变量，只被加载一次。
    private static Singleton singleton = new Singleton();

    /**
     * 构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象。
     * 
     * @return 实例对象
     */
    public static Singleton getSingleTon() {
        return singleton;
    }
}

（3）优缺点：
　　优点：写法简单，在类装载时完成了实例化，避免线程同步问题。
　　缺点：在类装载前完成实例化，没有实现懒加载（Lazy Loading），可能造成内存的浪费（比如从不使用该类时会造成内存的浪费）。

（4）UML图:

4、饿汉式单例模式（静态代码块）

（1）步骤：
　　step1：构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
　　step2：在类的内部声明实例对象，并在静态代码块中实例化对象。
　　step3：向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象。
（2）代码实现：

package singleton.pattern.demo2;

/**
 * 演示 饿汉式单例模式，静态代码块版
 *
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getSingleTon();
        Singleton singleton2 = Singleton.getSingleTon();
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // 由于获取的为同一个对象，所以输出为true
    }
}

/**
 * 饿汉式单例模式，静态代码块版
 */
class Singleton {
    // 在类的内部声明一个实例对象
    private static Singleton singleton;

    static {
        // 在代码块中实例化一个对象，同样只加载一次
        singleton = new Singleton();
    }

    /**
     * 构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象。
     * 
     * @return 实例对象
     */
    public static Singleton getSingleTon() {
        return singleton;
    }
}

（3）优缺点同上例 饿汉式单例模式（静态常量版）

5、懒汉式单例模式（线程不安全）

（1）步骤：
　　step1：构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
　　step2：在类的内部声明实例对象。
　　step3：向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象，在调用该方法时，才去创建实例对象。
（2）代码实现：

package singleton.pattern.demo3;

/**
 * 演示 懒汉式单例模式，线程不安全版
 *
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getSingleTon();
        Singleton singleton2 = Singleton.getSingleTon();
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // 由于获取的为同一个对象，所以输出为true
    }
}

/**
 * 懒汉式单例模式，线程不安全版
 */
class Singleton {
    // 在类的内部声明一个实例对象
    private static Singleton singleton;

    /**
     * 构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象。 当调用该方法时，才去检查并创建一个实例对象。
     * 
     * @return 实例对象
     */
    public static Singleton getSingleTon() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

（3）优缺点：
　　优点：实现了懒加载。
　　缺点：只能在单线程下使用，比如线程A与线程B并发执行到 if (singleton == null)， 此时便会产生多个实例对象。

6、懒汉式单例模式（线程安全，同步方法）

（1）步骤：
　　step1：构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
　　step2：在类的内部声明实例对象。
　　step3：向外暴露一个静态的公共方法（给静态方法加个synchronized关键字，解决同步问题）用于获取实例对象，在调用该方法时，才去创建实例对象。
（2）代码实现：

package singleton.pattern.demo4;

/**
 * 演示 懒汉式单例模式，线程安全,同步方法版
 *
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getSingleTon();
        Singleton singleton2 = Singleton.getSingleTon();
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // 由于获取的为同一个对象，所以输出为true
    }
}

/**
 * 懒汉式单例模式，线程安全,同步方法版
 */
class Singleton {
    // 在类的内部声明一个实例对象
    private static Singleton singleton;

    /**
     * 构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象，并给方法加个synchronized关键字，解决同步的问题。
     * 当调用该方法时，才去检查并创建一个实例对象。
     * 
     * @return 实例对象
     */
    public static synchronized Singleton getSingleTon() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

（3）优缺点：
　　优点：实现了懒加载，解决了线程不安全的问题。
　　缺点：效率太低，每个线程想获取实例对象时，均会触发同步方法，此时会等待前一个线程调用结束后才能使用，使效率低。

7、懒汉式单例模式（同步代码块方法，线程不一定安全）

（1）步骤：
　　step1：构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
　　step2：在类的内部声明实例对象。
　　step3：向外暴露一个静态的公共方法（在静态方法内部定义一个代码块，解决同步问题）用于获取实例对象，在调用该方法时，才去创建实例对象。
（2）代码实现：

package singleton.pattern.demo5;

/**
 * 演示 懒汉式单例模式，线程不一定安全,同步代码块版
 *
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getSingleTon();
        Singleton singleton2 = Singleton.getSingleTon();
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // 由于获取的为同一个对象，所以输出为true
    }
}

/**
 * 懒汉式单例模式，线程不一定安全,同步代码块版
 */
class Singleton {
    // 在类的内部声明一个实例对象
    private static Singleton singleton;

    /**
     * 构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象，在方法内部加个同步代码块。 当调用该方法时，才去检查并创建一个实例对象。
     * 
     * @return 实例对象
     */
    public static Singleton getSingleTon() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                singleton = new Singleton();
            }
        }
        return singleton;
    }
}

（3）优缺点：
　　优点：优化了了上例 懒汉式单例模式（线程安全，同步方法） 的效率问题。
　　缺点：能满足大部分线程安全的情况，但是若线程A与线程B并发执行到 if (singleton == null)，此时同步代码块的作用就不存在了， 会产生多个实例对象。

8、双重检查（Double Check）

（1）步骤：
　　step1：构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
　　step2：在类的内部声明实例对象，并使用volatile关键字（保证可见性，且防止因JVM指令重排使代码执行顺序不对，从而导致代码执行有误）。
　　step3：向外暴露一个静态的公共方法（在静态方法内部定义一个代码块，解决同步问题）用于获取实例对象，在调用该方法时，才去创建实例对象。在上例 懒汉式单例模式（同步代码块方法，线程不一定安全） 的基础上，给同步代码块内部加个检查处理。
（2）代码实现：

package singleton.pattern.demo6;

/**
 * 演示 单例模式，双重检查版
 *
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getSingleTon();
        Singleton singleton2 = Singleton.getSingleTon();
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // 由于获取的为同一个对象，所以输出为true
    }
}

/**
 * 单例模式，双重检查版
 */
class Singleton {
    // 在类的内部声明一个实例对象
    private static volatile Singleton singleton;

    /**
     * 构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象，在方法内部加个同步代码块，在代码块内部增加一个检查处理。 当调用该方法时，才去检查并创建一个实例对象。
     * 
     * @return 实例对象
     */
    public static Singleton getSingleTon() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

（3）优缺点：
　　优点：线程安全，延迟加载，效率高。常用于多线程开发。

9、静态内部类

（1）步骤：
　　step1：构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
　　step2：在类的内部定义一个静态内部类（只有被调用时，才会被加载），并在内部类中实例化对象。
　　step3：向外暴露一个静态的公共方法，并在方法中调用静态内部类，用于获取实例对象。
（2）代码实现：

package singleton.pattern.demo7;

/**
 * 演示 单例模式，静态内部类版
 *
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getSingleTon();
        Singleton singleton2 = Singleton.getSingleTon();
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // 由于获取的为同一个对象，所以输出为true
    }
}

/**
 * 单例模式，静态内部类版
 */
class Singleton {
    /**
     * 构造器私有化（防止通过new创建实例对象）
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 静态内部类，在被调用的时候才会被加载，实现懒加载。 且内部使用静态常量实例化一个对象，保证了线程安全问题。
     */
    public static class SingleTonInstance {
        public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    /**
     * 向外暴露一个静态的公共方法用于获取实例对象，在方法内部加个同步代码块，在代码块内部增加一个检查处理。 当调用该方法时，才去检查并创建一个实例对象。
     * 
     * @return 实例对象
     */
    public static Singleton getSingleTon() {
        return SingleTonInstance.INSTANCE; // 调用静态内部类的静态属性
    }
}

（3）优缺点：
　　优点：利用JVM的类加载机制，保证了实例化对象时只有一个线程，从而线程安全。在被调用时静态内部类才会被加载并实例化对象，从而实现懒加载，效率高。

（4）UML图：

10、枚举

（1）步骤：
　　step1：定义一个枚举类型。
　　step2：调用即可
（2）代码实现：

package singleton.pattern;

/**
 * 演示 单例模式，枚举版
 *
 */
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        SingleTon singleton1 = SingleTon.INSTACNE;
        SingleTon singleton2 = SingleTon.INSTACNE;
        System.out.println(singleton1 == singleton2); // 由于获取的为同一个对象，所以输出为true
    }
}

/**
 * 单例模式，枚举版
 */
enum SingleTon {
    INSTACNE;
    public void show() {
        System.out.println("hello world");
    }
}

（3）优缺点：
　　优点：使用枚举类型创建（enum本质是个继承java.lang.Enum类的final class），保证线程安全，且可以防止反序列化重新创建新的对象。

11、JDK中的单例模式举例（Runtime）

（1）部分源码

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {} 
}

（2）可以看到上述代码中采用的是 饿汉式单例模式（静态变量版）。

12、单例模式使用注意

（1）当频繁创建、销毁某个对象时，可以采用单例模式。
（2）使用单例模式时，需调用相关方法获取实例，而不是通过new。
（3）当创建对象消耗资源过多时，但又经常使用时，可以采用单例模式创建。