设计模式之单例模式

定义：
确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

简介：
单例模式是设计模式中最简单的形式之一。这一模式的目的是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。要实现这一点，可以从对其进行实例化开始。因此需要用一种只允许生成对象类的唯一实例的机制，阻止所有想要生成对象的访问。使用工厂方法来限制实例化过程。这个方法应该是静态方法（类方法），因为让类的实例去生成另一个唯一实例毫无意义。

首先，我们来看一下经典单例模式的实现。

package net.csdn.blog.ruancoder;

public class Singleton {
    // 利用一个静态变量来记录Singleton类的唯一实例
    private static Singleton instance;

    // 这里可以添加其他有用的变量

    // 把构造器声明为私有的，只有在Singleton类内才可以调用构造器
    private Singleton() {
    }

    // 利用getInstance()方法实例化对象，并返回这个实例
    public static Singleton getInstance() {
        // 如果instance是空的，表示还没有创建实例
        if (instance == null) {
            // 利用私有的构造器产生一个Singleton实例并赋值给instance静态变量
            // 如果我们不进入该方法，它就永远不会产生
            instance = new Singleton();
        }
        // 当执行到这个return，就表示我们已经有了实例，并将instance返回
        return instance;
    }

    // 这里可以添加其他有用的方法
}

如果现在有两个线程都要执行getInstance()方法，可能会出现如下情况。

从图中可以看到，这里生成了两个对象，违反了单个实例的原则。

那么如何解决呢？只需要把getInstance()方法变成同步（syncronized）方法，多线程灾难几乎就可以轻易地解决了。

同步getInstance()方法

package net.csdn.blog.ruancoder;

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    // 通过增加synchronized关键字到getInstance()方法中，我们迫使每个线程在进入这个方法之前，要先等候别的线程离开该方法
    // 也就是说，不会有两个线程可以同时进入这个方法
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这种实现在解决问题的同时，会带来性能的降低。只有第一次执行此方法，才真正需要同步。换句话说，一旦设置了instance变量，就不再需要同步这个方法了。之后每次调用这个方法，同步都是一种累赘。

如果getInstance()的性能对应用程序不是很关键，就可以使用同步getInstance()的方式，既简单又高效。

急切实例化

为了避免同步带来的性能降低，还可以使用急切创建实例，而不用延迟实例化的做法。

package net.csdn.blog.ruancoder;

public class Singleton {
    // 在静态初始化器中创建单利，保证了线程安全
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        // 已经有实例了，直接返回
        return instance;
    }
}

利用这个做法，我们依赖JVM在加载这个类时马上创建此类唯一的实例。JVM保证在任何线程访问instance静态变量之前，一定会先创建此实例。

如果应用程序总是创建并使用单例，或者在创建和运行方面的负担不太繁重，可以使用该方式。

双重检查加锁

我们也可以使用双重检查加锁，在getInstance()中减少使用同步。

package net.csdn.blog.ruancoder;

public class Singleton {
    // volatile关键字，确保当instance变量被初始化成Singleton实例时，多个线程正确地处理instance变量
    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        // 检查实例，如果不存在，就进入同步区块
        if (instance == null) {
            // 注意，只有第一次才彻底执行这里的代码
            synchronized (Singleton.class) {
                // 进入区块后，再检查一次，如果仍是空，才创建实例
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

利用双重检查加锁，首先检查实例是否已经创建了，如果尚未创建，才进行同步。这样一来，只有第一次会同步，这正是我们想要的。

如果性能是我们关心的重点，那么这个做法可以大大地减少getInstance()的时间消耗。


最后总结一下单例模式的要点：
1.单例模式确保程序中一个类最多只有一个实例。
2.单例模式也提供访问这个实例的全局点。
3.在Java中实现单例模式需要私有的构造器、一个静态方法和一个静态变量。
4.确定在性能和资源上的限制，然后小心的选择适当的方案来实现单例，以解决多线程的问题。
5.如果使用多个类加载器，可能导致单例失效而产生多个实例。