设计模式之单例模式

一、单例模式的定义

定义：确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

这样做的好处是：有些实例，全局只需要一个就够了，使用单例模式就可以避免一个全局使用的类，频繁的创建与销毁，耗费系统资源。

二、单例模式的设计要素

1. 一个私有构造函数 （确保只能单例类自己创建实例）
2. 一个私有静态变量 （确保只有一个实例）
3. 一个公有静态函数 （给使用者提供调用方法）

简单来说就是，单例类的 构造方法不让其他人修改和使用；并且单例类自己只创建一个实例，这个实例，其他人也无法修改和直接使用；然后单例类提供一个调用方法，想用这个实例，只能调用。这样就确保了全局只创建了一次实例。

三、单例模式的6种实现及各实现的优缺点

（一）懒汉式（线程不安全）

实现：

public class Singleton { 
private static Singleton uniqueInstance; 
private Singleton() {        
    } 
public static Singleton getUniqueInstance() { 
    if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        } 
    return uniqueInstance;
    }
}

说明：先不创建实例，当第一次被调用时，再创建实例，所以被称为懒汉式。

优点：延迟了实例化，如果不需要使用该类，就不会被实例化，节约了系统资源。

缺点：线程不安全，多线程环境下，如果多个线程同时进入了 if (uniqueInstance == null) ，若此时还未实例化，也就是uniqueInstance == null，那么就会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); ，就会实例化多个实例；

（二）饿汉式（线程安全）

实现：

public class Singleton {
    
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    
    private Singleton() {
    }
    
    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
    
}

说明：先不管需不需要使用这个实例，直接先实例化好实例 (饿死鬼一样，所以称为饿汉式)，然后当需要使用的时候，直接调方法就可以使用了。

优点：提前实例化好了一个实例，避免了线程不安全问题的出现。

缺点：直接实例化好了实例，不再延迟实例化；若系统没有使用这个实例，或者系统运行很久之后才需要使用这个实例，都会操作系统的资源浪费。

（三）懒汉式（线程安全）

实现：

public class Singleton { 
private static Singleton uniqueInstance; 
private static singleton() {
    } 
private static synchronized Singleton getUinqueInstance() { 
if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        } 
    return uniqueInstance;
    }  
}

说明：实现和 线程不安全的懒汉式 几乎一样，唯一不同的点是，在get方法上 加了一把 锁。如此一来，多个线程访问，每次只有拿到锁的的线程能够进入该方法，避免了多线程不安全问题的出现。

优点：延迟实例化，节约了资源，并且是线程安全的。

缺点：虽然解决了线程安全问题，但是性能降低了。因为，即使实例已经实例化了，既后续不会再出现线程安全问题了，但是锁还在，每次还是只能拿到锁的线程进入该方***使线程阻塞，等待时间过长。

（四）双重检查锁实现（线程安全）

实现：

public class Singleton { 
private volatile static Singleton uniqueInstance; 
private Singleton() {
    } 
public static Singleton getUniqueInstance() { 
if (uniqueInstance == null) {
     synchronized (Singleton.class) { 
         if (uniqueInstance == null) {
             uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        } 
    return uniqueInstance;
    }  
}

说明: 双重检查数相当于是改进了 线程安全的懒汉式。线程安全的懒汉式 的缺点是性能降低了，造成的原因是因为即使实例已经实例化，依然每次都会有锁。而现在，我们将锁的位置变了，并且多加了一个检查。 也就是，先判断实例是否已经存在，若已经存在了，则不会执行判断方法内的有锁方法了。 而如果，还没有实例化的时候，多个线程进去了，也没有事，因为里面的方法有锁，只会让一个线程进入最内层方法并实例化实例。如此一来，最多最多，也就是第一次实例化的时候，会有线程阻塞的情况，后续便不会再有线程阻塞的问题。

为什么使用 volatile 关键字修饰了 uniqueInstance 实例变量 ？
 uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码执行时分为三步：

1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
2. 初始化 uniqueInstance
3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

正常的执行顺序当然是 1>2>3 ，但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。
单线程环境时，指令重排并没有什么问题；多线程环境时，会导致有些线程可能会获取到还没初始化的实例。
例如：线程A 只执行了 1 和 3 ，此时线程B来调用 getUniqueInstance()，发现 uniqueInstance 不为空，便获取 uniqueInstance 实例，但是其实此时的 uniqueInstance 还没有初始化。

解决办法就是加一个 volatile 关键字修饰 uniqueInstance ，volatile 会禁止 JVM 的指令重排，就可以保证多线程环境下的安全运行。

优点：延迟实例化，节约了资源；线程安全；并且相对于 线程安全的懒汉式，性能提高了。

缺点：volatile 关键字，对性能也有一些影响。

（五）静态内部类实现（线程安全）

实现：

public class Singleton { 
    private Singleton() {
    } 
    private static class SingletonHolder { 
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    } 
    public static Singleton getUniqueInstance() { 
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

说明：首先，当外部类 Singleton 被加载时，静态内部类 SingletonHolder 并没有被加载进内存。当调用 getUniqueInstance() 方法时，会运行 return SingletonHolder.INSTANCE;  ，触发了 SingletonHolder.INSTANCE ，此时静态内部类 SingletonHolder 才会被加载进内存，并且初始化 INSTANCE 实例，而且 JVM 会确保 INSTANCE 只被实例化一次。

优点：延迟实例化，节约了资源；且线程安全；性能也提高了。

（六）枚举类实现（线程安全）

实现：

public enum Singleton {
    
    INSTANCE; //添加自己需要的操作 public void doSomeThing() {
    
    }
    
}

说明：默认枚举实例的创建就是线程安全的，且在任何情况下都是单例。

优点：写法简单，线程安全，天然防止反射和反序列化调用。

防止反序列化

序列化：把java对象转换为字节序列的过程；

反序列化：通过这些字节序列在内存中新建java对象的过程；

也就是说，反序列化 将一个单例实例对象写到磁盘再读回来，从而获得了一个新的实例。

我们要防止反序列化，避免得到多个实例。

枚举类天然防止反序列化。

其他单例模式 可以通过 重写 readResolve() 方法，从而防止反序列化，使实例唯一

重写 readResolve() ：

private Object readResolve() throws ObjectStreamException{ 
    return singleton;
}

四、单例模式的应用场景

应用场景举例：

1. 网站计数器。
2. 应用程序的日志应用。
3. Web项目中的配置对象的读取。
4. 数据库连接池。
5. 多线程池。
6. ......

使用场景总结：

1. 频繁实例化然后又销毁的对象，使用单例模式可以提高性能。
2. 经常使用的对象，但实例化时耗费时间或者资源多，如数据库连接池，使用单例模式，可以提高性能，降低资源损耗。
3. 使用线程池之类的控制资源时，使用单例模式，可以方便资源之间的通信。