5、【设计模式】单列模式

在Java开发过程中，很多场景下都会碰到或要用到单例模式，在设计模式里也是经常作为指导学习的热门模式之一，相信每位开发同事都用到过。我们总是沿着前辈的足迹去做设定好的思路，往往没去探究为何这么做，所以这篇文章对单例模式做了详解。

一、单例模式定义：

单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。

二、单例模式特点：
　　1、单例类只能有一个实例。
　　2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
　　3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

单例模式保证了全局对象的唯一性，比如系统启动读取配置文件就需要单例保证配置的一致性。

三、线程安全的问题

一方面在获取单例的时候，要保证不能产生多个实例对象，后面会详细讲到五种实现方式；

另一方面，在使用单例对象的时候，要注意单例对象内的实例变量是会被多线程共享的，推荐使用无状态的对象，不会因为多个线程的交替调度而破坏自身状态导致线程安全问题，比如我们常用的VO，DTO等（局部变量是在用户栈中的，而且用户栈本身就是线程私有的内存区域，所以不存在线程安全问题）。

四、单例模式的选择

还记得我们最早使用的MVC框架Struts1中的action就是单例模式的，而到了Struts2就使用了多例。在Struts1里，当有多个请求访问，每个都会分配一个新线程，在这些线程，操作的都是同一个action对象，每个用户的数据都是不同的，而action却只有一个。到了Struts2， action对象为每一个请求产生一个实例，并不会带来线程安全问题（实际上servlet容器给每个请求产生许多可丢弃的对象，但是并没有影响到性能和垃圾回收问题，有时间会做下研究）。

五、实现单例模式的方式

1.饿汉式单例（立即加载方式）

// 饿汉式单例
public class Singleton1 {
    // 私有构造
    private Singleton1() {}

    private static Singleton1 single = new Singleton1();

    // 静态工厂方法
    public static Singleton1 getInstance() {
        return single;
    }
}

饿汉式单例在类加载初始化时就创建好一个静态的对象供外部使用，除非系统重启，这个对象不会改变，所以本身就是线程安全的。

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且闭着眼就认为反射机制不存在。）

实际应用：

//HystrixCommandFactory.class
  private static final HystrixCommandFactory INSTANCE = new HystrixCommandFactory();

    private HystrixCommandFactory() {

    }

    public static HystrixCommandFactory getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

2.懒汉式单例（延迟加载方式）

// 懒汉式单例
public class Singleton2 {

    // 私有构造
    private Singleton2() {}

    private static Singleton2 single = null;

    public static Singleton2 getInstance() {
        if(single == null){
            single = new Singleton2();
        }
        return single;
    }
}

该示例虽然用延迟加载方式实现了懒汉式单例，但在多线程环境下会产生多个single对象，如何改造请看以下方式:

使用synchronized同步锁

public class Singleton3 {
    // 私有构造
    private Singleton3() {}

    private static Singleton3 single = null;

    public static Singleton3 getInstance() {
        
        // 等同于 synchronized public static Singleton3 getInstance()
        synchronized(Singleton3.class){
          // 注意：里面的判断是一定要加的，否则出现线程安全问题
            if(single == null){
                single = new Singleton3();
            }
        }
        return single;
    }
}

在方法上加synchronized同步锁或是用同步代码块对类加同步锁，此种方式虽然解决了多个实例对象问题，但是该方式运行效率却很低下，下一个线程想要获取对象，就必须等待上一个线程释放锁之后，才可以继续运行。

public class Singleton4 {
    // 私有构造
    private Singleton4() {}

    private static Singleton4 single = null;

    // 双重检查
    public static Singleton4 getInstance() {
        if (single == null) {
            synchronized (Singleton4.class) {
                if (single == null) {
                    single = new Singleton4();
                }
            }
        }
        return single;
    }
}

使用双重检查进一步做了优化，可以避免整个方法被锁，只对需要锁的代码部分加锁，可以提高执行效率。

3.静态内部类实现

public class Singleton6 {
    // 私有构造
    private Singleton6() {}

    // 静态内部类
    private static class InnerObject{
        private static Singleton6 single = new Singleton6();
    }
    
    public static Singleton6 getInstance() {
        return InnerObject.single;
    }
}

静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性，但是在遇到序列化对象时，默认的方式运行得到的结果就是多例的。这种情况不多做说明了，使用时请注意。

4.static静态代码块实现

public class Singleton6 {
    
    // 私有构造
    private Singleton6() {}
    
    private static Singleton6 single = null;

    // 静态代码块
    static{
        single = new Singleton6();
    }
    
    public static Singleton6 getInstance() {
        return single;
    }
}

5.内部枚举类实现

public class SingletonFactory {
    
    // 内部枚举类
    private enum EnmuSingleton{
        Singleton;
        private Singleton8 singleton;
        
        //枚举类的构造方法在类加载是被实例化 
        private EnmuSingleton(){
            singleton = new Singleton8();
        }
        public Singleton8 getInstance(){
            return singleton;
        }
    }
    public static Singleton8 getInstance() {
        return EnmuSingleton.Singleton.getInstance();
    }
}

class Singleton8{
    public Singleton8(){}
}

场景：Spring注册单列Bean

　　　　Map<String, BeanDefinition> beanDefinitionMap = new ConcurrentHashMap<>(64) //spring注册bean存放位置

　　　　//DefaultSingletonBeanRegistry.class
　　　　 @Nullable
	protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
		Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
		if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
			synchronized (this.singletonObjects) {
				singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
				if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
					ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
					if (singletonFactory != null) {
						singletonObject = singletonFactory.getObject();
						this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
						this.singletonFactories.remove(beanName);
					}
				}
			}
		}
		return singletonObject;
	}