设计模式之单例模式

单例模式：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。
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。例如，Windows 中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费，或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。
在计算机系统中，还有 Windows 的回收站、操作系统中的文件系统、多线程中的线程池、显卡的驱动程序对象、打印机的后台处理服务、应用程序的日志对象、数据库的连接池、网站的计数器、Web 应用的配置对象、应用程序中的对话框、系统中的缓存等常常被设计成单例。
应用场景：
对于 Java 来说，单例模式可以保证在一个 JVM 中只存在单一实例。单例模式的应用场景主要有以下几个方面。
需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力**，减少 GC**。
某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
某些类创建实例时占用资源较多，或实例化耗时较长，且经常使用。
某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。
频繁访问数据库或文件的对象。

对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。
当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。
注意的地方：
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。
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。

单例模式的优点和缺点

单例模式的优点：
单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销。
可以避免对资源的多重占用。
单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。

单例模式的缺点：
单例模式一般没有接口，扩展困难。如果要扩展，则除了修改原来的代码，没有第二种途径，违背开闭原则。
在并发测试中，单例模式不利于代码调试。在调试过程中，如果单例中的代码没有执行完，也不能模拟生成一个新的对象。
单例模式的功能代码通常写在一个类中，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则。

单例模式的几种实现方式

1.饿汉式

描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题(因为在类加载的时候就new了对象，后面多线程调用getInstance方法都是那个对象)，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。

package singleton.type1;

/*
饿汉式(静态常量)
 */
public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        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{
    //构造器私有化，外部不能new
    private Singleton(){
    }
    //类本部创建对象实例
    //当类加载的时候就创建对象实例
    private  static Singleton instance=new Singleton();
    //提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

2.懒汉式，线程不安全

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为缺少加锁synchronized。所以我们一般使用在不要求线程安全，也就是用不到多线程的时候。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  //如果在多线程下, 一个线程进入了if(instance == null)判断语句时,还未往下执行,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。在多线程环境下不可使用这种方式
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

3.懒汉式，线程安全

描述：这种方式很好的具备lazy loading，能够在多线程中工作，但是效率比较低。
优点：第一次调用才初始化（当调用静态的getInstance()方法才初始化），避免了内存浪费。
缺点：必须加锁synchronized才能保证单例，但加锁会影响效率。

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

4.双检锁/双重检验锁(DCL，即double-checked locking)

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
在多线程环境下，单例模式进行双重校验锁就是为了提高线程安全性，防止多个线程创建额外的类实例

public class Singleton {  
   // volatile共享锁的性质可以保证类属性对所有线程可见
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  //第一次校验
        synchronized (Singleton.class) {  //当线程进入此步骤即对整个类信息加锁 
            if (singleton == null) {   //第二次校验
                singleton = new Singleton(); //两次交验都为空的话即创建实例
            }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}