单例模式
单例模式(Singleleton Pattern) 是简单的一种设计模式。
1单例模式的定义
单例模式的英文原文是：
Ensure a class has only one instance,and provide a global point of access to it.
意思是:确保一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。
单例模式的主要作用是确保一个类只有一个实例存在。单例模式可以用在建立目录、数据库连接等需要单线程操作的场合，用于实现对系统资源的控制。
由于Java的语言特点，使得在Java中实现单例模式通常有两种表现形式。
- 饿汉式单例模式:类加载时，就进行对象实例化；
- 懒汉式单例模式:第一次引用类时，才进行对象实例化。
1.饿汉式单例类
饿汉式单例模式-类图
饿汉式源码
package com.eric.创建型模式.单例模式.懒汉式;
/**
* @author Eric
* @ProjectName my_design_23
* @description 饿汉式单例模式
* @CreateTime 2020-11-25 15:42:47
*/
public class Singleton {
private static Singleton m_instance = new Singleton();
//构造方法私有，保证外界无法直接实例化
private Singleton(){}
//通过该方法获取实例对象
public static Singleton getInstance(){
return m_instance;
}
}从上述代码中可以看到，在类被加载时，静态变量m_instance会被初始化，此时类的私有构造器会被调用，单例类的唯一实例就被创建出来了。单例类中最重要的特点是类的构造函数是私有的，从而避免外界利用构造函数直接创建出任意多的实例。另外需要注意的是，由于构造函数是私有的，因此该类不能被继承。
2懒汉式单例类
懒汉式单例类与饿汉式单例类相同的是，类的构造函数是私有的；不同的是，懒汉式单例类在加载不会将自己实例化，而是在第一次被调用时将自己实例化。(去掉 synchronized就是线程不安全的了)
懒汉式单例
package com.eric.创建型模式.单例模式.饿汉式;
/**
* @author Eric
* @ProjectName my_design_23
* @description 懒汉式
* @CreateTime 2020-11-25 16:55:12
*/
public class Singleton {
private static Singleton _instance = null;
//构造方法私有，保证外界无法直接实例化
private Singleton(){}
//方法同步
synchronized public static Singleton getInstance(){
if(_instance == null){
_instance = new Singleton();
}
return _instance;
}
}上述代码中，懒汉式单例模式中对静态方法getInstance()进行同步，以确保多线程环境下只创建一个实例，例如，如果getInstance方法未被同步，并且线程A和线程B同时调用此方法，则执行if(_instance == null)语句都为真，那么线程A和线程B都会创建一个对象，在内存中就会出现两个对象，这样就违反了单例模式；但使用synchronized关键字同步后，则不会出现此种情况。
饿汉式单例模式与懒汉式单例模式的区别。
- 饿汉式单例模式在被加载时实例化，而懒汉式单例模式在第一次引用时被实例化。
- 从资源利用效率上，饿汉式差一些；但从速度和执行时间来看，饿汉式要好一些。
- 饿汉式单例模式可以在Java中实现，但不易在C++内实现。实际上饿汉式单例模式更符合Java语言本身的特点。
2单例模式应用
1.单例模式优点
- 由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存的开销，特别是一个对象需要频繁的创建、销毁，而且创建或销毁的性能有无法优化时，单例模式的优势就非常明显了。
- 由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在启用时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决。
- 单例模式可以避免多重占用，例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在于内存中，避免了对同一个资源文件的同时操作。
- 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如，可以设计一个单例类，负责所有数据库表的映射处理。
2.单例模式的缺点
- 单例模式无法创建子类，扩展困难。若要扩展，除了修改代码基本没有第二种途径。
- 单例模式对测试不利。在并行开发环境中，如果采用单例模式的类没有完成，是不能进行测试的；单例模式的类通常不会实现接口，这也妨碍了使用mock方式虚拟一个对象。
- 单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑，而不应该关心它是否是单例的，是不是要用单例模式取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一起。
注意 单元测试时经常会采用stub和mock方式，这两种都可以对系统模块或单元进行隔离，通过创建虚拟的对象来模拟真实场景，一遍对测试对象进行测试工作。(stub和mock看其他资料)
3.单例模式的使用场景
在一个系统中，如果要求一个类有且仅有一个实例，当出现多个实例时就会造成不良反应，则此时可以采用单例模式。
- 要求生成唯一序列号的环境。
- 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据；例如Web页面上的计数器，可以不用吧每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保线程是安全的。
- 创建一个对象需要消耗的资源过多时，如访问IO和数据库等资源。
- 需要定义大量的静态常量和静态方法(如工具类的环境)，可以采用单例模式(也乐意采用直接声明为static的方式)。
单例模式是23个模式中比较简单的模式，应用也非常广泛，如在Spring框架中，每个Bean默认就是单例的；Java基础类中的java.lang.Runtime类也采用了单例模式，其getRuntime()方法返回了唯一实例。
4.使用单例模式的注意事项
根据功能，单例类可以分为有状态单例模式和无状态模式。
- 有状态单例类：一个有状态单例模式的对象一般是可变的，通常当做状态库使用。例如，给系统提供一个唯一的序列号。
- 无状态单例类:无状态的单例模式的对象是不变的，通常用来提供工具性的功能方法。例如，IO或数据库库访问等。
因为单例类具有状态，所以在使用时应注意以下两点
- 单例类仅局限与一个JVM，因此当多个JVM的分布式时，这个单例类就会在多个JVM中被实例化，造成多个单例对象的出现。如果是无状态的单例类，则没有问题，因为这些单例对象是没有区别的。如果是有状态的但单例类，则会出现问题。如，给系统提供一个唯一序列号时，序列号不唯一，可能出现多次。因IC，在任何使用EJB、RMI和JINI技术的分布式系统中，应当避免使用有状态的单例类。
- 同一个JVM中会有多个类加载器，当两个类加载器同时加载同一个类时，会出现两个实例，此时也应尽量避免使用有状态的单例类。
另外，使用单例模式时，需要注意序列化和克隆对实例唯一性的影响。如果一个单例的类实现了Serializable或Cloneable接口，则有可能被反序列化或克隆出一个新的实例来，从而破坏了“唯一实例”的要求，因此，通常单例类不需要实现Serializable或Cloneable接口。
3单例模式实例
例：使用单例模式记录访问次数
GlobalNum.java
package com.eric.创建型模式.单例模式.例1;
/**
* @author Eric
* @ProjectName my_design_23
* @description 全局计数器
* @CreateTime 2020-11-25 18:51:54
*/
public class GlobalNum {
private static GlobalNum gn = new GlobalNum();
private int num = 0;
public static GlobalNum getInstance(){
return gn;
}
public synchronized int getNum(){
return ++num;
}
}上述代码中创建一个饿汉式单例类GlobalNum，其中getNum()方法用于返回访问次数，并且使用synchronized对该方法进行线程同步。
NumThread.java
package com.eric.创建型模式.单例模式.例1;
/**
* @author Eric
* @ProjectName my_design_23
* @description 线程类
* @CreateTime 2020-11-25 18:56:57
*/
public class NumThread extends Thread{
private String threadName;
public NumThread(String name){
threadName = name;
}
//重写线程的run方法(线程任务)
@Override
public void run() {
GlobalNum gnObj = GlobalNum.getInstance();
//循环访问，输出访问次数
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(threadName+"第"+gnObj.getNum()+"次访问！");
try{
this.sleep(1000);//线程休眠1s
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
}
}
}SingleDemo.java
package com.eric.创建型模式.单例模式.例1;
/**
* @author Eric
* @ProjectName my_design_23
* @description 测试单例模式
* @CreateTime 2020-11-25 18:54:53
*/
public class SingleDemo {
//测试单例模式
public static void main(String[] args) {
//创建线程A
NumThread a = new NumThread("线程A");
//创建线程B
NumThread b = new NumThread("线程B");
//启动线程
a.start();
b.start();
}
}上述代码在主程序中创建两个子线程，通过这两个子线程演示对单例模式下唯一实例的访问。因为GlobalNum的对象是单例的，所以能够统一地对县城访问次数进行统计。
由于上述代码是多线程的，运行结果每次都有可能出现不同，可能的运行结果。
4其他几种单例模式的实现(重要！)
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。
getInstance()的性能对应用程序很关键。
package com.eric.创建型模式.单例模式.双重校验锁;
/**
* @author Eric
* @ProjectName my_design_23
* @description 双检锁/双重校验锁
* @CreateTime 2020-11-25 19:19:58
*/
public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton = null;
private Singleton(){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}登记式/静态内部类
是否Lazy初始化:是
是否线程安全: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ClassLoader机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟饿汉式不同的是：饿汉式只要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，只有通过显式调用getInstance()方法时，才会显式装载SingletonHolder类，从而实例化instance。可以想象，如果实例化instance很消耗资源，所以想让他延迟加载，另一方面，又不希望在Singleton类加载时就实例化，因为不能确保Singleton类还可能在其他地方被主动使用从而被加载，那么这时候实例化instance显然是不合适的。这个时候，这种方式相比饿汉式就显得更合理。
package com.eric.创建型模式.单例模式.登记式;
/**
* @author Eric
* @ProjectName my_design_23
* @description 登记式/静态内部类-----单例模式
* @CreateTime 2020-11-25 19:51:40
*/
public class Singleton {
//静态内部类SingletonHolder
private static class SingletonHolder{
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
//私有构造器
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}枚举
JDK版本:JDK1.5起
是否Lazy初始化:否
是否线程安全:是
实现难度:易
描述：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，不免让人感到生疏，实际工作中，也很少用。
不能通过reflection attack来调用私有构造方法。
package com.eric.创建型模式.单例模式.枚举式;
/**
* @author Eric
* @ProjectName my_design_23
* @description 枚举方式的单例模式
* @CreateTime 2020-11-25 20:02:05
*/
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void whateverMethod(){
System.out.println("电脑开始做起了奇奇怪怪的事情...");
}
}[注]：
一般情况下，不建议使用懒汉式，建议使用饿汉式。只有在明确时限lazy loading效果时，才会使用登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用枚举方式。如果有其他特殊需求，可以考虑使用双检锁方式。