设计模式之单例模式

一、设计模式

1、设计模式分类

• 创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。
• 结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。
• 行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

2、设计模式的六大原则

1）、开闭原则（Open Close Principle）

开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是：为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类，

2）、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。—— From Baidu 百科

3)、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）

这个是开闭原则的基础，具体内容：针对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

4）、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）

这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。

5）、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）

为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。

6）、合成复用原则（Composite Reuse Principle）

原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

二、单例模式

1、什么是单例

保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问该全局访问点

2、单例应用场景

1. Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式（这个很熟悉吧），想想看，是不是呢，你能打开两个windows task manager吗？ 不信你自己试试看哦~
2. windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。
3. 网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。
4. 应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。
5. Web应用的配置对象的读取，一般也应用单例模式，这个是由于配置文件是共享的资源。
6. 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池，主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗，这种效率上的损耗还是非常昂贵的，因为何用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗。
7. 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式，这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。
8. 操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。
9. HttpApplication 也是单位例的典型应用。熟悉ASP.Net(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式，所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例.

3、单例优缺点

优点：

• 1.在单例模式中，活动的单例只有一个实例，对单例类的所有实例化得到的都是相同的一个实例。这样就 防止其它对象对自己的实例化，确保所有的对象都访问一个实例
• 2.单例模式具有一定的伸缩性，类自己来控制实例化进程，类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。
• 3.提供了对唯一实例的受控访问。
• 4.由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以 节约系统资源，当 需要频繁创建和销毁的对象时单例模式无疑可以提高系统的性能。
• 5.允许可变数目的实例。
• 6.避免对共享资源的多重占用。

缺点：

• 1.不适用于变化的对象，如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化，单例就会引起数据的错误，不能保存彼此的状态。
• 2.由于单利模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
• 3.单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。
• 4.滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为是垃圾而被回收，这将导致对象状态的丢失。

4、单例创建方式

• 1.饿汉式:类初始化时,会立即加载该对象，线程天生安全,调用效率高。
• 2.懒汉式: 类初始化时,不会初始化该对象,真正需要使用的时候才会创建该对象,具备懒加载功能。
• 3.静态内部方式:结合了懒汉式和饿汉式各自的优点，真正需要对象的时候才会加载，加载类是线程安全的。
• 4.枚举单例: 使用枚举实现单例模式 优点:实现简单、调用效率高，枚举本身就是单例，由jvm从根本上提供保障!避免通过反射和反序列化的漏洞， 缺点没有延迟加载。
• 5.双重检测锁方式 (因为JVM本质重排序的原因，可能会初始化多次，不推荐使用)

5、饿汉式

//饿汉式
public class SingletonDemo01 {
	// 类初始化时,会立即加载该对象，线程天生安全,调用效率高
	private static SingletonDemo01 singletonDemo01 = new SingletonDemo01();

	private SingletonDemo01() {
		System.out.println("SingletonDemo01初始化");
	}

	public static SingletonDemo01 getInstance() {
		System.out.println("getInstance");
		return singletonDemo01;
	}

	public static void main(String[] args) {
		SingletonDemo01 s1 = SingletonDemo01.getInstance();
		SingletonDemo01 s2 = SingletonDemo01.getInstance();
		System.out.println(s1 == s2);
	}

}

6、懒汉式

//懒汉式
public class SingletonDemo02 {

	//类初始化时，不会初始化该对象，真正需要使用的时候才会创建该对象。
	private static SingletonDemo02 singletonDemo02;

	private SingletonDemo02() {
   
	}

	public synchronized static SingletonDemo02 getInstance() {
		if (singletonDemo02 == null) {
			singletonDemo02 = new SingletonDemo02();
		}
		return singletonDemo02;
	}

	public static void main(String[] args) {
		SingletonDemo02 s1 = SingletonDemo02.getInstance();
		SingletonDemo02 s2 = SingletonDemo02.getInstance();
		System.out.println(s1 == s2);
	}

}

7、静态内部类

// 静态内部类方式
public class SingletonDemo03 {
	private SingletonDemo03() {
           System.out.println("初始化..");
	}

	public static class SingletonClassInstance {
		private static final SingletonDemo03 singletonDemo03 = new SingletonDemo03();
	}

	// 方法没有同步
	public static SingletonDemo03 getInstance() {
		System.out.println("getInstance");
		return SingletonClassInstance.singletonDemo03;
	}

	public static void main(String[] args) {
		SingletonDemo03 s1 = SingletonDemo03.getInstance();
		SingletonDemo03 s2 = SingletonDemo03.getInstance();
		System.out.println(s1 == s2);
	}
}

优势：兼顾了懒汉模式的内存优化（使用时才初始化）以及饿汉模式的安全性（不会被反射入侵）。

劣势：需要两个类去做到这一点，虽然不会创建静态内部类的对象，但是其 Class 对象还是会被创建，而且是属于永久带的对象。

8、枚举方式

枚举本身是单例的，一般用于项目中定义常量。

enum UserEnum {
	HTTP_200(200, "请求成功"),HTTP_500(500,"请求失败");
	private Integer code;
	private String name;

	UserEnum(Integer code, String name) {
		this.code = code;
		this.name = name;
	}

	public Integer getCode() {
		return code;
	}

	public void setCode(Integer code) {
		this.code = code;
	}

	public String getName() {
		return name;
	}

	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}

}

public class TestEnum {

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(UserEnum.HTTP_500.getCode());
	}

}

/使用枚举实现单例模式 优点:实现简单、枚举本身就是单例，由jvm从根本上提供保障!避免通过反射和反序列化的漏洞 缺点没有延迟加载
public class User {
	public static User getInstance() {
		return SingletonDemo04.INSTANCE.getInstance();
	}

	private static enum SingletonDemo04 {
		INSTANCE;
		// 枚举元素为单例
		private User user;

		private SingletonDemo04() {
			System.out.println("SingletonDemo04");
			user = new User();
		}

		public User getInstance() {
			return user;
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		User u1 = User.getInstance();
		User u2 = User.getInstance();
		System.out.println(u1 == u2);
	}
}

9、如何选择单例创建方式

如果不需要延迟加载单例，可以使用枚举或者饿汉式，相对来说枚举性能好于饿汉式。
如果需要延迟加载，可以使用静态内部类或者懒汉式，相对来说静态内部类好于懒汉式。

10、双重检测锁

public class SingletonDemo04 {
	private SingletonDemo04 singletonDemo04;

	private SingletonDemo04() {

	}

	public SingletonDemo04 getInstance() {
		if (singletonDemo04 == null) {
			synchronized (this) {
				if (singletonDemo04 == null) {
					singletonDemo04 = new SingletonDemo04();
				}
			}
		}
		return singletonDemo04;
	}

}

11、单例防止反射漏洞攻击

在构造函数中，只能允许初始化化一次即可。

private static boolean flag = false;

	private SingletonDemo04() {

		if (flag == false) {
			flag = !flag;
		} else {
			throw new RuntimeException("单例模式被侵犯！");
		}
	}

	public static void main(String[] args) {

	}

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