【设计模式】单例模式

一、前言

　　端午小长假冷不丁的就完了，那么接着品设计模式，今天要介绍的设计模式是单例模式，单例模式在编程中的使用很广泛，如线程池、缓存等都可采用单例模式来保证整个系统只有一个实例。然而，如何保证只有唯一一个实例是值得探讨的问题，下面开始介绍单例模式。

二、单例模式定义

　　定义：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

　　从定义可知，单例模式可以保证无论是在单线程环境还是多线程环境下，一个类只有唯一一个对象。

三、示例说明

　　考虑一个系统中存在一个缓存，并且要求该缓存在整个系统中值存在一个实例。

　　3.1 v1.0

　　在没有考虑多线程的情况下，经过分析后很可能写出如下代码。

　　Cache

package com.hust.grid.leesf.singleton;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Cache {
    private static Cache cache;    
    
    private Cache() {        
    }
    
    public static Cache getInstance() {
        if (cache == null) {
            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            cache = new Cache();
        }
        return cache;
    } 
}

　　Main（用于测试）

package com.hust.grid.leesf.singleton;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {    
        Cache cache = Cache.getInstance();
        System.out.println(cache);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            cache = Cache.getInstance();
            System.out.println(cache);
        }
    }
}

　　运行结果：

com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@659e0bfd
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@659e0bfd
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@659e0bfd
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@659e0bfd
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@659e0bfd
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@659e0bfd

　　说明：在单线程环境下调用了6次getInstance，getInstance在检查是否为null后，会休眠500ms，这样，更有利于观察，通过结果可知，生成的都是同一个对象，即只生成了一个对象，满足要求，但是在多线程环境下如何呢，下面进行测试。

　　3.2 v2.0

　　上述的Cache代码不变，改变测试代码，在多线程环境下测试。

　　Main（用于测试）

package com.hust.grid.leesf.singleton;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {    
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new MyThread().start();
        }
    }
    
    static class MyThread extends Thread {
        public void run() {
            Cache cache = Cache.getInstance();
            System.out.println(cache);
        }
    }
}

　　运行结果

com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@20b708e4
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@793d2cfa
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@407e3dad

　　说明：在多线程环境下，并且由上述结果可知，系统并未只生成一个Cache对象，而是生成了多个，不满足要求。下面对Cache进行修改，使其在多线程环境下也只生成一个Cache对象。

　　3.3 v3.0（急切创建实例）

　　急切的创建实例，不采用延迟实例化的做法，这种做法依赖JVM在加载这个类时马上创建此唯一的单例，JVM会保证在任何线程访问cache静态变量时，一定先创建此实例。

　　Cache

package com.hust.grid.leesf.singleton;

public class Cache {
    private static Cache cache = new Cache();    
    
    private Cache() {        
    }
    
    public static Cache getInstance() {
        return cache;
    } 
}

　　Main与v2.0的Main相同。

　　运行结果　　

com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d

　　说明：在多线程环境下，只生成了唯一一个实例，满足条件。但是，这种方法有一定的缺陷。如在系统运行一段时间后，才需要使用到Cache实例，而非一加载就需要使用。

　　3.4 v4.0（同步）

　　对比v3.0的急切创建实例而言，v4.0使用延迟加载，即在需要的时候再加载，并且采用同步保证多线程环境下只创建唯一一个对象。

　　3.4.1 v4.0.1（同步方法）

　　使用同步方法实现单例模式

　　Cache

package com.hust.grid.leesf.singleton;

public class Cache {
    private static Cache cache;    
    
    private Cache() {        
    }
    
    public synchronized static Cache getInstance() {
        if (cache == null) {
            cache = new Cache();
        }
        return cache;
    } 
}

　　Main类的代码不变

　　运行结果

com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d

　　说明：在多线程环境下，只生成了唯一一个实例，满足条件。

　　3.4.2 v4.0.2（同步块）

　　使用同步块实现单例模式

package com.hust.grid.leesf.singleton;

public class Cache {
    private static Cache cache;

    private Cache() {
    }

    public static Cache getInstance() {
        synchronized (Cache.class) {
            if (cache == null) {
                cache = new Cache();
            }
        }
        return cache;
    }
}

　　Main类的代码不变

com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@43e8772d

　　说明：在多线程环境下，只生成了唯一一个实例，满足条件。

　　v4.0.1和v4.0.2都存在一个问题，即每次调用getInstance方法时，都需要进行同步处理，实际上，只需要在第一次调用getInstance时进行同步即可，后面再调用时，无需进行同步。

　　3.5 v5.0

　　使用延迟加载，采用双重检查加锁机制来实现单例模式。

package com.hust.grid.leesf.singleton;

public class Cache {
    private volatile static Cache cache;

    private Cache() {
    }

    public static Cache getInstance() {
        if (cache == null) {
            synchronized (Cache.class) {
                if (cache == null) {
                    cache = new Cache();                
                }
            }
        }
        return cache;
    }
}

　　Main类的代码不变

　　运行结果

com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@6c6aa204
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@6c6aa204
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@6c6aa204
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@6c6aa204
com.hust.grid.leesf.singleton.Cache@6c6aa204

　　说明：由结果可知，在多线程环境下，只生成了唯一一个实例，满足条件。cache使用volatile修饰，可以某个线程修改了cache域后，能够对其他线程立即可见。

　　当单例模式遇上了不同的类加载器时，还是否会保证单例呢？由于不同的类加载器有自己的类空间，所以会产生多个实例，这时，需要自行制定类加载器，并指定同一个类加载器。

四、总结

　　单例模式比较简单，毕竟在生产环境中也有些应用，在面试的时候也会有所涉及，所以掌握单例模式总是好的，所有源代码已经上传至github，欢迎fork，谢谢各位园友的观看~