Java设计模式-单例模式

单例模式的定义　　

　　在《Java与模式》书中这样说到：作为对象的创建模式，单例模式确保某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。这个类称为单例类。

单例模式的特点

　　从单例模式的定义中我们不难发现单例模式有以下特点

• 单例模式的类（以下简称单例类）只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建唯一实例。
• 单例类必须对外提供这一实例。

单例模式的优点

• 减少内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。
• 减少系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决（需要注意Java的垃圾回收机制）。
• 单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。
• 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，负责所有数据表的映射处理。

单例模式的缺点

• 单例模式没有一般没有接口，扩展就比较困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。（但不是说单例类不可以实现接口或被继承）
• 单例模式对测试不利，在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。
• 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，而不关心它是否是单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。

单例模式的使用场景

　　说了这么多，现在我们看看单例模式的使用场景。在一个系统中要求一个类有且仅有一个对象，如果出现多个对象就会出现“不良反应”，可以采用单例模式，具体场景例如：

• 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，例如一个Web页面上的计数器，可以不用把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，并确保是线程安全的。
• 创建一个对象需要消耗的资源过多，例如要访问IO或数据库等资源。
• 需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以考虑采用单例模式（当然，也可以直接声明为static的方式）。

单例模式的注意事项

• 高并发情况下需要考虑线程同步。
• 应当防止对象被复制，即Clonenable接口提供的clone()方法。

单例模式的具体实现

　　下面提供几种单例模式的具体实现

/**
 * 单例模式实现一（饿汉式）
 * 1.静态实例化对象
 * 2.将构造方法私有
 * 3.提供静态的公有获取对象方法
 *
 * 特点：加载类时对象已经初始化完毕，占用空间，不适合高并发场景使用
 * 私有的构造方法阻挡不了反射机制
 */
public class Singleton1 {
    private static Singleton1 singleton = new Singleton1();
    private Singleton1(){};
    public static Singleton1 getInstance(){
        return singleton;
    }
    public void info(){
        System.out.println("我是饿汉式");
    }
}

/**
 * 单例模式实现二（懒汉式）
 * 1.创建空的静态对象
 * 2.私有构造方法
 * 3.提供公有的初始化对象方法，添加synchronized互斥锁
 *
 * 特点：只有在调用时才初始化对象，省去不必要的空间占用
 * 加了synchronized关键字比较影响执行效率，但保证了线程安全
 */
public class Singleton2 {
    private static Singleton2 singleton = null;
    private Singleton2(){};
    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(singleton == null){
            singleton = new Singleton2();
        }
        return singleton;
    }
    public void info(){
        System.out.println("我是懒汉式");
    }
}

/**
 * 单例模式实现三（双重检查锁）
 * 在单例模式实现二的基础上，添加了volatile关键字修饰静态对象
 * 特点：一定程度上优化了直接使用syncronized关键字带来的性能问题
 */
public class Singleton3 {
    private volatile static Singleton3 singleton = null;
    private Singleton3(){};
    public static Singleton3 getInstance() {
        if(singleton == null){
            synchronized (Singleton3.class){
                if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton3();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
    public void info(){
        System.out.println("我是双重检查锁");
    }
}

/**
 * 单例模式实现四（使用类级内部类）
 * 私有构造方法
 * 创建私有的static修饰的内部类-类级内部类
 * 在内部类中初始化对象
 * 在调用getInstance时初始化SingletonHolder
 * 特点：由jvw保证线程间同步，类加载机制保证单例
 */
public class Singleton4 {
    private Singleton4(){};
    private static class SingletonHolder{
        private static Singleton4 singleton = new Singleton4();
    }
    public static Singleton4 getInstance(){
        return SingletonHolder.singleton;
    }
    public void info(){
        System.out.println("我是类级内部类");
    }
}

/**
 * 单例模式实现五（单元素枚举）
 * 高效、安全、简洁
 * 被称之为最佳实现单例模式的方法
 * 特点：利用枚举的特性，巧妙的保证了线程安全、无偿地提供了序列化机制
 */
public enum Singleton5 {
    SINGLETON_5;
    public void info(){
        System.out.println("我是枚举");
    }
}

总结

　　设计模式是解决特定问题的一系列套路，是前辈们的代码设计经验的总结，具有一定的普遍性，可以反复使用。其目的是为了提高代码的可重用性、代码的可读性和代码的可靠性。所以无论哪种设计模式，在使用时一定要结合当下情景，然后去选择设计模式，并选择如何实现这一模式。

注：代码片段中的info()方法与单例模式的实现无关，仅仅是为单例类提供一个行为。