[Java知识库]3-设计模式-单例模式

一、什么是单例模式

所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类 只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。

比如Hibernate的SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建Session 对象。SessionFactory并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个 SessionFactory就够，这是就会使用到单例模式。

二、单例设计模式八种方式

1. 饿汉式（静态常量）
2. 饿汉式（静态代码块）
3. 懒汉式(线程不安全)
4. 懒汉式(线程安全，同步方法)
5. 懒汉式(线程安全，同步代码块)
6. 双重检查
7. 静态内部类
8. 枚举

1.饿汉式（静态常量）

public class Singleton {
    
    /**
     * 优缺点说明：
    * 　　1）优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
    * 　　2）缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。
    * 　　3)这种方式基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是导致在类装载的原因有很多种，因此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 就没有达到 Lazy Loading 的效果
    * 　　4)结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费
     */
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton(){}

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

2.饿汉式（静态代码块）

public class Singleton {

    /**
     * 优缺点说明：
     * 　　1）这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
     * 　　2）结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费
     */
    private static Singleton instance;

    static {
        instance = new Singleton();
    }

    private Singleton(){}

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

3.懒汉式(线程不安全)

public class Singleton {

    /**
     * 优缺点说明：
     * 　　1）起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用
     * 　　2）如果在多线程下，一个线程进入了if（singleton == null）判断语句块，还未来得及往下执行，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。所以在多线程环境下不可使用这种模式。
     * 　　3）结论：在实际开发中，不要使用这种方式。
     */
    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

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

4.懒汉式(线程安全，同步方法)

public class Singleton {

    /**
     * 优缺点说明：
     * 　　1）解决了线程不安全问题
     * 　　2）效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行 getInstance() 方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接 return 就行了。
     *      方法进行同步效率太低
     * 　　3）结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式
     */
    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

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

5.懒汉式(线程安全，同步代码块)

public class Singleton {

    /**
     * 优缺点说明：
     * 和上面一样，不推荐
     */
    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

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

6.双重检查

public class Singleton {

    /**
     * 关于volatile的说法我想补充一下，volatile除了内容可见性还有防止指令重排序的功能，
     * 因为对象的创建实际上是三条指令： 1、分配内存地址 2、内存地址初始化 3、返回内存地址句柄
     * 其中2、3之间可能发生指令冲排序，导致线程A正在创建对象先执行1、3两步，结果线程B进来判断句柄已经不为空，直接返回给上层方法，
     * 此时对象还没有正确初始化内存，导致上层方法发生严重错误。
     *
     * volatile 用于保证线程A对LazySingleton instance的修改(new)能够立即被线程B看到,如果不进行设置,
     * 那么虽然线程A初始化了instance,但是将线程A中instance的变化写入主存需要时间,可能在写的过程中,
     * 线程B进行执行时获取到的instance还是null (每个线程都有一段线程工作内存)
     */
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton(){}

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

7.静态内部类

public class Singleton {

    /**
     * 优缺点说明：
     * 　　1）这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
     * 　　2）静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化。
     * 　　3）类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM 帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
     * 　　4）优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高。
     * 　　5）结论：推荐使用
     */
    private Singleton(){}

    private static class SingletonInner{
        private final static Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonInner.INSTANCE;
    }
}

8.枚举

enum Singleton {
    /**
     * 优缺点说明：
     * 　　1）这借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。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。
     * 　　3）结论：推荐使用
     */
    INSTANCE;
}

三、单例模式注意事项和细节说明

1）单例模式保证了系统内存中该类只存一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。

2）当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用 new

3）单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多（即：重量级对象），但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象（比如数据源、Session工厂等）