【设计模式】单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

基本介绍

• 意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

• 主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

• 何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

• 如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

• 关键代码：构造函数是私有的。

• 应用实例：
  • 1、一个班级只有一个班主任。
  • 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
  • 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
• 优点：
  • 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
  • 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

• 缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

• 使用场景：
  • 1、要求生产唯一序列号。
  • 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
  • 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

概括

所谓类的单例设计模式（Singleton Pattern），就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法（静态方法）。
这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

比如 Hibernate 的 SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建 Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够，这是就会使用到单例模式。

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类图：

角色分析：

1. Singleton：就是我们的单例对象，里面将构造方法私有化，使外界不能访问，并提供一个 getInstance() 类方法来供外界使用。

我的理解

一个类只有一个对象实例，即 单例模式。可以类比孤独的乔治。
孤独的乔治，是一只加拉帕戈斯象龟平塔岛象龟亚种个体。自1971年被发现到2012年确认死亡为止，被认为是平塔岛象龟中已知的最后一个个体。它被认为是世界上最稀有的动物，也是加拉帕戈斯群岛乃至全球物种保护的象征之一。

单例设计模式八种方式

单例模式有八种方式：

1. 饿汉式（静态常量）（推荐使用）

   饿汉：类加载的时候，把对象也创建出来了，很容易浪费空间，因为不知道什么时候类就加载了，而对象如果不用，就造成了空间浪费。

2. 饿汉式（静态代码块）（推荐使用）

   比起静态常量来说，静态代码块中可以写很多判断筛选信息。

3. 懒汉式（线程不安全）

   懒汉：用的时候才去创建

4. 懒汉式（线程安全，同步方法）

5. 懒汉式（线程安全，同步代码块）

6. 双重检查（推荐使用）
7. 静态内部类（推荐使用）

8. 枚举（推荐使用）

饿汉式（静态常量）

饿汉式（静态常量）应用实例步骤如下：

1. 构造器私有化（防止 new）
2. 类的内部创建对象
3. 向外暴露一个静态的公共方法 getInstance()

代码演示：

package com.atguigu.singleton.type1;

public class SingletonTest01 {

    public static void main(String[] args) {
    //测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

//饿汉式(静态变量)
class Singleton {
    //1. 构造器私有化,  外部不能 new 
    private Singleton() {}

    //2.本类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton();

    //3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

优缺点说明：

1. 优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
2. 缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。
3. 这种方式基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是导致类装载的原因有很多种，因此不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 就没有达到 lazy loading 的效果。
4. 结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费。

饿汉式（静态代码块）

代码演示：

package com.atguigu.singleton.type2;

public class SingletonTest02 {

    public static void main(String[] args) {
        //测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

//饿汉式(静态变量) 
class Singleton {
    //1. 构造器私有化,  外部不能 new 
    private Singleton() {}

    //2.本类内部创建对象实例
    private static Singleton instance;

    static { // 在静态代码块中，创建单例对象（类装载的时候执行）
        instance = new Singleton();
    }

    //3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

优缺点说明：

1. 这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
2. 结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

懒汉式（线程不安全）

代码演示：

package com.atguigu.singleton.type3;

public class SingletonTest03 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式 1 ， 线程不安全~");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}


class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    //提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建 instance
    //即 懒汉式
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

1. 起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。
2. 如果在多线程下，一个线程进入了 if (singleton == null) 判断语句块，还未来得及往下执行（还未构造对象），另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。
3. 结论：在实际开发中，不要使用这种方式。

懒汉式（线程安全，同步方法）

代码演示：

package com.atguigu.singleton.type4;

public class SingletonTest04 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式 2 ， 线程安全~");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}


// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    //提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    //即懒汉式
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

1. 解决了线程安全问题。
2. 效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行 getInstance() 方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接 return 就行了。方法进行同步效率太低。
3. 结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式。

懒汉式（线程安全，同步代码块）

代码演示：

class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton() {}

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

优缺点说明：

1. 跟上面“懒汉式（线程不安全）”一样，如果在多线程下，一个线程进入了 if (singleton == null) 判断语句块，还未来得及往下执行（还未构造对象），另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。
2. 结论：不推荐使用

双重检查

代码演示：

package com.atguigu.singleton.type6;

public class SingletonTest06 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("双重检查");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

// 懒汉式（线程安全，同步方法）
class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    //提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
    //同时保证了效率, 推荐使用
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        //第一次检查，可以保证在对象创建好之后，每个线程在想获得类的实例不需要再进行同步
        //解决了“懒汉式(线程安全，同步方法)”的缺点
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                //第二次检查，可以避免当多个线程挤进此语句时，创建多个实例
                //解决了“懒汉式(线程不安全)”的缺点
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

volatile：轻量级的 synchronized，只能修饰变量。让修改值立即更新到主存，多线程情况下防止指令重排序。能保证此对象的同步创建，类似于原子性创建，不能被中断，一次顺序执行到底。由于 new 不是原子方法，所以执行当中有很多个步骤，可能被多线程插队，导致创建错误，所以加入 volatile 保证同步创建，原子创建。
防止在 new 实例的时候，还没初始化完，有其他线程进来，实例此时已经不为空，多线程拿到的实例数据就不一致，加了该关键字后，先初始化完成后再赋值给实例，即 轻量级同步。

精确地说就是，编译器在用到这个变量时必须每次都小心地重新读取这个变量的值，而不是使用保存在寄存器里的备份。

优缺点说明：

1. Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次 if (singleton == null) 检查，这样就可以保证线程安全了。
2. 这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断 if (singleton == null)，直接 return 实例化对象，也避免的反复进行方法同步。
3. 线程安全；延迟加载；效率较高。
4. 结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式。

静态内部类

代码演示：

package com.atguigu.singleton.type7;

public class SingletonTest07 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用静态内部类完成单例模式");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true 
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

// 静态内部类完成，推荐使用
class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    //构造器私有化
    private Singleton() {}

    //写一个静态内部类,该类中有一个静态属性 Singleton 
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供一个静态的公有方法，直接返回 SingletonInstance.INSTANCE
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

类中套类，既保证了不会装载浪费空间，又保证了用的时候单一且线程安全。上来就创一个，可以避免多线程问题。
在类装载的时候，静态内部类不会装载。
当调用的时候，静态内部类才会被装载，当类装载的时候线程是安全的。

优缺点说明：

1. 这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
2. 静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化。
3. 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM 帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
4. 优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高。
5. 结论：推荐使用。

枚举

代码演示：

package com.atguigu.singleton.type8;

public class SingletonTest08 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance2);
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
        instance.sayOK();
    }
}

//使用枚举，可以实现单例, 推荐
enum Singleton {
    INSTANCE; //属性
    public void sayOK() {
        System.out.println("ok~");
    }
}

优缺点说明：

1. 这借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。
2. 这种方式是《Effective Java》的作者 Josh Bloch 提倡的方式
3. 结论：推荐使用

单例模式在 JDK 应用的源码分析

1. 我们 JDK 中，java.lang.Runtime 就是经典的单例模式(饿汉式)
2. 代码分析+Debug 源码 + 代码说明
   

单例模式注意事项和细节说明

1. 单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。
2. 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用 new。
3. 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多（即：重量级对象），但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象（比如数据源、session 工厂等）

为什么单例模式要创建一个对象，方法不是可以直接用类

问：静态方法可以通过类来调用，其余得创建对象来调用。那单例模式与一个类全是静态方法在设计角度的差别是什么呢？
答：因为单例模式可以充分的使用面向对象的封装，继承，多态；而一个类所有静态方法不行，在设计角度远不如单态设计灵活。