《设计模式修炼真经》03 — 单例模式

定义

一个类只有一个实例，通过自行实例化向整个系统提供这个实例；

单例模式 是 Java 中最简单的设计模式之一，属于创建型模式。这种模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。同时，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。

特点

特点：

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；

类图

单例模式通用类图如下：

其中，Singleton类称为单例类，通过使用private的构造函数确保在一个应用中只产生一个实例，并且是自行实例化的，即在Singleton中自己使用new Singleton()创建实例。同时，外部通过Singleton.getSingleton()方法访问唯一的实例。

代码实现

懒汉式，线程不安全

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

优点：实现简单，懒加载（用时加载）；

缺点：不支持多线程；

懒汉式，线程安全

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

优点：懒加载，支持多线程；

缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率，大部分情况下不需要同步；

饿汉式

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

优点：基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，线程安全，同时没有加锁，执行效率会提高；

缺点：类加载时就初始化，浪费内存；不支持懒加载（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 显然没有达到懒加载的效果）

双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
        if (singleton == null) {  
            singleton = new Singleton();  
        }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}      

为什么加volatile关键字，为什么两次判空，参考：双重校验锁实现单例模式

优点：支持懒加载；支持多线程且能保持较高的性能；

缺点：实现较复杂；

推荐使用DCL

登记式/静态内部类

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
    return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}      

这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，同时 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，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。

优点：懒加载；多线程且性能高；实现简单；

缺点：只适用于静态域的情况，不支持传参；

枚举

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void doSomeThing() {  
    }  
}      

优点：实现简单，支持多线程，自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化

缺点：可读性差，不支持反射调用私有构造函数；

适用场景

单例模式的优点

1. 由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。
2. 由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决。
3. 单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。
4. 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

单例模式的缺点

1. 单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。单例模式为什么不能增加接口呢？因为接口对单例模式是没有任何意义的，它要求“自行实例化”，并且提供单一实例、接口或抽象类是不可能被实例化的。当然，在特殊情况下，单例模式可以实现接口、被继承等，需要在系统开发中根据环境判断。
2. 单例模式对测试是不利的。在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。
3. 单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。

单例模式的使用场景

在一个系统中，要求一个类有且仅有一个对象，如果出现多个对象就会出现“不良反应”，可以采用单例模式，具体的场景如下：

1. 要求生成唯一序列号的环境；
2. 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如一个Web页面上的计数器，可以不用把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保是线程安全的；
3. 创建一个对象需要消耗的资源过多，如要访问IO和数据库等资源；
4. 需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式（当然，也可以直接声明为static的方式）。

此段 参考自：《设计模式之禅》第二版，秦小波

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