设计模式--单例模式

1、单例模式介绍

所谓单例模式，简单来说，就是在整个应用中保证只有一个类的实例存在。

单例模式有以下特点：
　　1、单例类只能有一个实例。
　　2、单例类必须自己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。

单例模式应用：
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。

2、最简单的实现（饿汉式单例类）

1.把类的构造函数写成private的，从而保证别的类不能实例化此类

2.然后在类中提供一个静态的实例并能够返回给使用者。

3.使用者就可以通过这个引用使用到这个类的实例了

 //饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化  
public class SingletonClass { 

  private static final SingletonClass instance = new SingletonClass(); 
    
  public static SingletonClass getInstance() { 
    return instance; 
  } 
    
  private SingletonClass() { 
     
  } 
    
}

问题：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，类装载后都会创建一个instance对象。如果这个创建过程很耗时，比如需要连接10000次数据库(夸张了…:-))，并且这个类还并不一定会被使用，那么这个创建过程就是无用的。怎么办呢？

3、懒汉式单例类

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化 
public class SingletonClass { 

  //注意，这里没有final
  private static SingletonClass instance = null; 
    
  public static SingletonClass getInstance() { 
    if(instance == null) { 
      instance = new SingletonClass(); 
    } 
    return instance; 
  } 
    
  private SingletonClass() { 
     
  } 
    
}

代码的变化有两处——首先，把instance初始化为null，直到第一次使用的时候通过判断是否为null来创建对象。因为创建过程不在声明处，所以那个final的修饰必须去掉。我们来想象一下这个过程。要使用SingletonClass，调用getInstance()方法。第一次的时候发现instance是null，然后就新建一个对象，返回出去；第二次再使用的时候，因为这个instance是static的，所以已经不是null了，因此不会再创建对象，直接将其返回。

这个过程就成为lazy loaded，也就是迟加载——直到使用的时候才进行加载。

问题：单线程下，这段代码没有什么问题，可是如果是多线程，麻烦就来了。

线程A希望使用SingletonClass，调用getInstance()方法。因为是第一次调用，A就发现instance是null的，于是它开始创建实例，就在这个时候，CPU发生时间片切换，线程B开始执行，它要使用SingletonClass，调用getInstance()方法，同样检测到instance是null——注意，这是在A检测完之后切换的，也就是说A并没有来得及创建对象——因此B开始创建。B创建完成后，切换到A继续执行，因为它已经检测完了，所以A不会再检测一遍，它会直接创建对象。这样，线程A和B各自拥有一个SingletonClass的对象——单例失败！

线程安全是指：如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题。显然以上实现并不满足线程安全的要求，在并发环境下很可能出现多个Singleton实例。

4、同步

getInstance()加上同步锁，一个线程必须等待另外一个线程创建完成后才能使用这个方法，这就保证了单例的唯一性。

public class SingletonClass { 

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

问题：这段代码毫无疑问存在性能的问题——synchronized修饰的同步块可是要比一般的代码段慢上几倍的！如果存在很多次getInstance()的调用，那性能问题就不得不考虑了！

5、性能

究竟是整个方法都必须加锁，还是仅仅其中某一句加锁就足够了？我们为什么要加锁呢？分析一下出现lazy loaded的那种情形的原因。原因就是检测null的操作和创建对象的操作分离了。如果这两个操作能够原子地进行，那么单例就已经保证了。于是，我们开始修改代码：

public class SingletonClass { 

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

首先去掉getInstance()的同步操作，然后把同步锁加载if语句上。但是这样的修改起不到任何作用：因为每次调用getInstance()的时候必然要同步，性能问题还是存在。如果……如果我们事先判断一下是不是为null再去同步呢？

public class SingletonClass { 

  private static SingletonClass instance = null; 

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

  private SingletonClass() { 

  } 

}

还有问题吗？首先判断instance是不是为null，如果为null，加锁初始化；如果不为null，直接返回instance。
 

这就是double-checked locking设计实现单例模式。到此为止，一切都很完美。我们用一种很聪明的方式实现了单例模式。

6、static内部类单例模式

class Single   
{  
    private Single()(  
        Syustem.out.println("ok");  
    )  
      
    private static class InstanceHolder{  
        private static final Singlet instance = new Single();  
    }  
  
    public static Single getInstance(){  
        return InstanceHolder.instance;  
    }  
}

优点：线程安全，资源利用率高,不执行getInstance就不会被实例。
缺点：第一次加载时反应不快。

类级内部类（有static修饰的成员内部类）相当于其外部类的成员，只有在第一次使用时才会被装载，而不会在类加载器加载其外部类的时候被装载，而且只会被加载一次。因此，资源利用率高。

7、登记式单例类

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
//登记式单例类.
//类似Spring里面的方法，将类名注册，下次从里面直接获取。
public class Singleton3 {
     private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();
     static{
        Singleton3 single = new Singleton3();
         map.put(single.getClass().getName(), single);
    }
     //保护的默认构造子
    protected Singleton3(){}
     //静态工厂方法,返还此类惟一的实例
     public static Singleton3 getInstance(String name) {
         if(name == null) {
            name = Singleton3.class.getName();
             System.out.println("name == null"+"--->name="+name);
        }
        if(map.get(name) == null) {
             try {
                 map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance());
            } catch (InstantiationException e) {
                 e.printStackTrace();
             } catch (IllegalAccessException e) {
                 e.printStackTrace();
             } catch (ClassNotFoundException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }
         return map.get(name);
     }
}

参考来源：

单例模式（Singleton Pattern）

Java 单例模式详解

深入Java单例模式

单例模式的七种写法