单例模式

1. 简介

1.1 定义

       保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

1.2 为什么使用单例模式

       在我们的系统中，有一些对象其实我们只需要一个，比如说：线程池、缓存、对话框、注册表、日志对象、充当打印机、显卡等设备驱动程序的对象。事实上，这一类对象只能有一个实例，如果制造出多个实例就可能会导致一些问题的产生，比如：程序的行为异常、资源使用过量、或者不一致性的结果。

       简单来说使用单例模式可以带来下面几个好处:

• 对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级对象而言，是非常可观的一笔系统开销；
• 由于 new 操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻 GC 压力，缩短 GC 停顿时间。

1.3 为什么不使用全局变量确保一个类只有一个实例呢

       全局变量分为静态变量和实例变量，静态变量也可以保证该类的实例只存在一个。
       只要程序加载了类的字节码，不用创建任何实例对象，静态变量就会被分配空间，静态变量就可以被使用了。

       但是，如果说这个对象非常消耗资源，而且程序某次的执行中一直没用，这样就造成了资源的浪费。利用单例模式的话，我们就可以实现在需要使用时才创建对象，这样就避免了不必要的资源浪费。

       不仅仅是因为这个原因，在程序中我们要尽量避免全局变量的使用，大量使用全局变量给程序的调试、维护等带来困难。

2. 单例的模式的实现

       通常单例模式在Java语言中，有两种构建方式：

• 饿汉方式。指全局的单例实例在类装载时构建
• 懒汉方式。指全局的单例实例在第一次被使用时构建。

       不管是那种创建方式，它们通常都存在下面几点相似处：

• 单例类必须要有一个 private 访问级别的构造函数，只有这样，才能确保单例不会在系统中的其他代码内被实例化;
• instance 成员变量和 uniqueInstance 方法必须是 static 的。

2.1 饿汉式（线程安全）

/**
 * @author wangzhao
 * @date 2020/6/6 9:30
 */
public class Singleton {

    // 在静态初始化器中创建单例实例，这段代码保证了线程安全
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

       所谓 “饿汉方式” 就是说JVM在加载这个类时就马上创建此唯一的单例实例，不管你用不用，先创建了再说，如果一直没有被使用，便浪费了空间，典型的空间换时间，每次调用的时候，就不需要再判断，节省了运行时间。

2.2 懒汉式（非线程安全和synchronized关键字线程安全版本 ）

/**
 * @author wangzhao
 * @date 2020/6/6 9:30
 */
public class Singleton {

    private static Singleton instance = null;

    private Singleton() {
    }

	// 线程不安全，判断 null 和 new 是两个步骤，不具有原子性
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

       “ 懒汉式” 就是说单例实例在第一次被使用时构建，而不是在JVM在加载这个类时就马上创建此唯一的单例实例。

       但是上面这种方式很明显是线程不安全的，如果多个线程同时访问getInstance()方法时就会出现问题。如果想要保证线程安全，一种比较常见的方式就是在getInstance()方法前加上synchronized关键字，如下：

/**
 * @author wangzhao
 * @date 2020/6/6 9:30
 */
public class Singleton {

    private static Singleton instance = null;

    private Singleton() {
    }

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

       在程序中每次使用getInstance()都要经过synchronized加锁这一层，这难免会增加getInstance()的方法的时间消费，而且还可能会发生阻塞。我们下面介绍到的 双重检查加锁版本 就是为了解决这个问题而存在的。

2.3 懒汉式(双重检查加锁版本)

       利用双重检查加锁（double-checked locking），首先检查是否实例已经创建，如果尚未创建，“才”进行同步。这样以来，只有一次同步，这正是我们想要的效果。

/**
 * @author wangzhao
 * @date 2020/6/6 9:30
 */
public class Singleton {

    //volatile保证，当instance变量被初始化成Singleton实例时，多个线程可以正确处理instance变量
    private volatile static Singleton instance = null;

    private Singleton() {
    }

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

2.4 懒汉式（静态内部类方式）

       静态内部实现的单例是懒加载的且线程安全。

       只有通过显式调用getInstance方法时，才会显式装载 SingletonHolder类，从而实例化instance（只有第一次使用这个单例的实例的时候才加载，同时不会有线程安全问题）。

/**
 * @author wangzhao
 * @date 2020/6/6 9:30
 */
public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

    public static class InnerClass{
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return InnerClass.instance;
    }
}

2.5 饿汉式（枚举方式）

       这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。 它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化 （如果单例类实现了Serializable接口，默认情况下每次反序列化总会创建一个新的实例对象)。

public enum Singleton {
	 //定义一个枚举的元素，它就是 Singleton 的一个实例
    INSTANCE;  
    
    public void doSomeThing() {  
	     System.out.println("枚举方法实现单例");
    }  
}

       使用方法：

public class ESTest {

	public static void main(String[] args) {
		Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;
		singleton.doSomeThing();//output:枚举方法实现单例

	}

}