java_设计模式_单例模式_Singleton Pattern（2016-08-04）

概念：
　　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。

适用场景：

　　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。

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。

八种实现方式：

一、懒汉式单例（延迟加载，线程不安全）

public class Singleton {

    /**
     * 静态变量记录唯一实例
     */
    private static Singleton instance = null;
    
    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private Singleton(){}

    /**
     * 静态工厂方法
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance(){
        if(null == instance){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
    
    //其它方法
}

　　懒汉式是典型的时间换空间,延迟加载，就是每次获取实例都会进行判断，看是否需要创建实例，浪费判断的时间。当然，如果一直没有人使用的话，那就不会创建实例，则节约内存空间。

　　但是上面的懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，需要对getInstance这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全。

二、懒汉式单例（延迟加载，线程安全）

public class Singleton {

    /**
     * 静态变量记录唯一实例
     */
    private static Singleton instance = null;
    
    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private Singleton(){}

    /**
     * 静态工厂方法，线程安全
     * @return
     */
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(null == instance){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
    
    //其它方法
}

 　　由于懒汉式的实现是线程安全的，这样会降低整个访问的速度，而且每次都要判断。那么有没有更好的方式实现呢？

三、饿汉式单例（不延迟加载，线程安全）

public class Singleton {

    /**
     * 静态变量记录唯一实例
     */
    private static Singleton instance = new Singleton();
    
    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private Singleton(){}

    /**
     * 静态工厂方法
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;   
    } 
    
    //其它方法
}

　　饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

　　饿汉式是典型的空间换时间，当类装载的时候就会创建类的实例，不管你用不用，先创建出来，然后每次调用的时候，就不需要再判断，节省了运行时间。

四、饿汉式单例、变种（不延迟加载，线程安全）

public class Singleton {

    /**
     * 静态变量记录唯一实例
     */
    private static Singleton instance = null;
    
    /**
     * 静态代码块初始化
     */
    static {  
        instance = new Singleton();  
    } 
    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private Singleton(){}

    /**
     * 静态工厂方法
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;   
    } 
    
    //其它方法
}

 　　表面上看起来差别挺大，其实更第三种方式差不多，都是在类初始化即实例化instance。

五、双重检查锁定（延迟加载，线程安全）

public class Singleton {

    /**
     * 静态变量记录唯一实例
     */
    private volatile static Singleton instance = null;
    
    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private Singleton(){}

    /**
     * 静态工厂方法
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance() {  
        if(null == instance){
            synchronized (Singleton.class) {//双重检查锁定    
               if (instance == null) {    
                   instance = new Singleton();   
               }    
            }    
        }    
        return instance;   
    } 
    //其它方法
}

　　这个是第二种方式的升级版，俗称双重检查锁定，

　　所谓“双重检查加锁”机制，指的是：并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法后，先检查实例是否存在，如果不存在才进行下面的同步块，这是第一重检查，进入同步块过后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。这样一来，就只需要同步一次了，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。

　　“双重检查加锁”机制的实现会使用关键字volatile，它的意思是：被volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，所有对该变量的读写都是直接操作共享内存，从而确保多个线程能正确的处理该变量。

　　　　注意：在java1.4及以前版本中，很多JVM对于volatile关键字的实现的问题，会导致“双重检查加锁”的失败，因此“双重检查加锁”机制只只能用在java5及以上的版本。

　　这种实现方式既可以实现线程安全地创建实例，而又不会对性能造成太大的影响。它只是第一次创建实例的时候同步，以后就不需要同步了，从而加快了运行速度。

　　　　提示：由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高。因此一般建议，没有特别的需要，不要使用。也就是说，虽然可以使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例，但并不建议大量采用，可以根据情况来选用。

　　根据上面的分析，常见的单例实现方式都存在小小的缺陷，那么有没有一种方案，既能实现延迟加载，又能实现线程安全呢？

六、静态内部类单例（延迟加载，线程安全）

public class Singleton {
    
    /**
     *  类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例
     *  没有绑定关系，而且只有被调用到时才会装载，从而实现了延迟加载。
     */
    private static class LazyHolder {  
        /**
         * 静态初始化器，由JVM来保证线程安全
         */
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
     }  
    
    /**
     * 构造方法私有化
     */
     private Singleton (){}  
     
     /**
      * 工厂方法，线程安全
      * @return
      */
     public static final Singleton getInstance() {  
        return LazyHolder.INSTANCE;  
     }  

    //其它方法

}

　　如果实例化instance很消耗资源，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化instance显然是不合适的。这个时候这种方式就显得很合理。

　　当getInstance方法第一次被调用的时候，它第一次读取LazyHolder.INSTANCE，导致LazyHolder类初始化；而这个类在装载并被初始化的时候，会初始化它的静态域，从而创建Singleton的实例，由于是静态的域，因此只会在虚拟机装载类的时候初始化一次，并由虚拟机来保证它的线程安全性。

　　这个模式的优势在于，getInstance方法并没有被同步，并且只是执行一个域的访问，因此延迟初始化并没有增加任何访问成本。

七、单元素的枚举单例（延迟加载，线程安全）

public enum Singleton {
    /**
     * 定义一个枚举的元素，它就代表了Singleton的一个实例。
     */
    INSTANCE;
    
    /**
     * 其它方法
     */
    public void otherOperation(){
        //功能处理
    }
}

　　使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。　　

　　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，而且还能防止反序列化重新创建新的对象，可谓是很坚强的壁垒啊，

　　不过，个人认为由于1.5中才加入enum特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，我也很少看见有人这么写过。

八、登记式单例(可忽略)

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

//类似Spring里面的方法，将类名注册，下次从里面直接获取。  
public class Singleton {
    /**
     *  设立静态变量，直接创建实例  
     */
    private static Map<String, Singleton> map = new HashMap<String, Singleton>();
    
    /**
     * 静态代码块
     * 对每个单例类实例化
     */
    static {
        Singleton single = new Singleton();
        map.put(single.getClass().getName(), single);
    }

    /**
     *  受保护的构造函数：
     *      构造函数不能是私有，这样子类可以直接访问构造方法.
     *  防止其它类访问：
     *      把单例类放到一个单独的包中，防止其它包中的类（包括缺省的包）去实例化此单例类。  
     */
    protected Singleton() {
          System.out.println("-->受保护的构造函数被调用，创建实例中");  
    }

    /**
     * 静态工厂方法,返还此类惟一的实例
     * @param name
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance(String name) {
        if (name == null) {
            name = Singleton.class.getName();
            System.out.println("-->name不存在，name赋值等于"+Singleton.class.getName());  
        }
        if (map.get(name) == null) {
            try {
                System.out.println("-->name对应的值不存在，开始创建");  
                map.put(name, (Singleton) Class.forName(name).newInstance());
            } catch (InstantiationException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } else {  
            System.out.println("-->name对应的值存在");  
        }  
        return map.get(name);
    }
    
    /**
     * 获得单例map集合
     * @return
     */
    public Map<String, Singleton> getSingletonMap(){  
        return map;  
    }  
    
    //其它方法
}

　　单例具体实现需要考虑：延迟加载，线程安全，序列化，不同的类装载器装入等问题。

　　1.不同的类装载器装入问题：如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取，例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类装载器，这样的话如果有两个servlet访问一个单例类，它们就都会有各自的实例。

　　2.序列化问题：如果Singleton实现了java.io.Serializable接口，那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样，如果你序列化一个单例类的对象，接下来复原多个那个对象，那你就会有多个单例类的实例。

　　3.反射问题：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，姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。

对于第一个问题修复的办法是：

　　增加一个方法（具体要怎么用，本人还没看懂。求告知……）

    @SuppressWarnings("unused")
    private static Class getClass(String classname)throws ClassNotFoundException {     
          
        ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();     
          if(classLoader == null){
              classLoader = Singleton.class.getClassLoader();     
          }     
           return (classLoader.loadClass(classname));     
       
    } 

对于第二个问题修复的办法是：

　　实现序列化（再次懵逼，什么原理……）

import java.io.Serializable;

public class Singleton implements Serializable {
    public static Singleton INSTANCE = new Singleton();

    protected Singleton() {    }

    private Object readResolve() {
        return INSTANCE;
    }
}

对于第三个问题修复的办法是：

　　三次元懵逼……

总结：

　　尽量使用：饿汉式单例、静态内部类单例、枚举单例单元素的枚举单例

参考资料来自：

http://www.cnblogs.com/java-my-life/archive/2012/03/31/2425631.html

http://cantellow.iteye.com/blog/838473

http://blog.csdn.net/jason0539/article/details/23297037/