設計模式之單例模式詳解及代碼示例

一、什么是單例模式

　　單例模式的定義就是確保某一個類只有一個實例，並且提供一個全局訪問點。屬於設計模式三大類中的創建型模式。單例模式具有典型的三個特點

• 單例類只有一個實例對象；
• 該單例對象必須由單例類自行創建；
• 單例類對外提供一個訪問該單例的全局訪問點；

　　類圖如下：

　　　　　　　　　　　　

　　單例模式優缺點

• 優點：由於單例模式只生成了一個實例，所以能夠節約系統資源，減少性能開銷，提高系統效率，同時也能夠嚴格控制客戶對它的訪問。
• 缺點：也正是因為系統中只有一個實例，這樣就導致了單例類的職責過重，違背了“單一職責原則”，同時也沒有抽象類，這樣擴展起來有一定的困難。

二、如何實現單例模式 

　　常見的單例模式實現方式有五種：餓漢式、懶漢式、雙重檢測鎖式、靜態內部類式和枚舉單例。而在這五種方式中餓漢式和懶漢式又最為常見。

　　1、餓漢式

　　餓漢式寫法是線程安全的，調用效率高。但是不能延時加載。代碼如下：

public class SingletonDemo1 {

    //線程安全的
    //類初始化時，立即加載這個對象
    private static SingletonDemo1 instance = new SingletonDemo1();

    private SingletonDemo1() {
    }

    //方法沒有加同步塊，所以它效率高
    public static SingletonDemo1 getInstance() {
        return instance;
    }
}

　　由於該模式在加載類的時候對象就已經創建了，所以加載類的速度比較慢，但是獲取對象的速度比較快，且是線程安全的。

　　2、懶漢式

　　懶漢式寫法線程不安全。示例代碼：

public class SingletonDemo2 {

    //線程不安全的

    private static SingletonDemo2 instance = null;

    private SingletonDemo2() {
    }

    //運行時加載對象
    public static SingletonDemo2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonDemo2();
        }
        return instance;
    }

}

　　由於該模式是在運行時加載對象的，所以加載類比較快，但是對象的獲取速度相對較慢，且線程不安全。如果想要線程安全的話可以加上synchronized關鍵字，但是這樣會付出慘重的效率代價。

　　3、雙重檢測鎖

public class SingletonDemo3 {

    private static volatile SingletonDemo3 instance = null;

    private SingletonDemo3() {
    }

    //運行時加載對象
    public static SingletonDemo3 getInstance() {
        if (instance == null) { synchronized(SingletonDemo3.class){ if(instance == null){
                     instance = new SingletonDemo3();
                 }
            }
        }
        return instance;
    }

}

　　雙檢鎖，又叫雙重校驗鎖，綜合了懶漢式和餓漢式兩者的優缺點整合而成。看上面代碼實現中，特點是在synchronized關鍵字內外都加了一層 if 條件判斷，這樣既保證了線程安全，又比直接上鎖提高了執行效率，還節省了內存空間。

　　由於singleton=new Singleton()對象的創建在JVM中可能會進行重排序，在多線程訪問下存在風險，使用volatile修飾signleton實例變量有效，解決該問題。

　　4、靜態內部類

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

　　靜態內部類的方式效果類似雙檢鎖，但實現更簡單。但這種方式只適用於靜態域的情況，雙檢鎖方式可在實例域需要延遲初始化時使用。

　　只有第一次調用getInstance方法時，虛擬機才加載 Inner 並初始化instance ，只有一個線程可以獲得對象的初始化鎖，其他線程無法進行初始化，保證對象的唯一性。目前此方式是所有單例模式中最推薦的模式，但具體還是根據項目選擇。

　　5、枚舉單例

public enum Singleton  {
    INSTANCE 
 
    //doSomething 該實例支持的行為
      
    //可以省略此方法，通過Singleton.INSTANCE進行操作
    public static Singleton getInstance() {
        return Singleton.INSTANCE;
    }
}

　　默認枚舉實例的創建是線程安全的，並且在任何情況下都是單例。實際上

• 枚舉類隱藏了私有的構造器。
• 枚舉類的域是相應類型的一個實例對象。

　　眾所周知，單例模式是創建型模式，都會新建一個實例。那么一個重要的問題就是反序列化。當實例被寫入到文件到反序列化成實例時，我們需要重寫readResolve方法，以讓實例唯一。

private Object readResolve() throws ObjectStreamException{
        return singleton;
}

三、單例模式的擴展

　　單例模式可擴展為有限的多例（Multitcm）模式，這種模式可生成有限個實例並保存在 ArmyList 中，客戶需要時可隨機獲取，其結構圖如圖：

　　　　　　　　　　　　　　

　　在日常場景中有，比如銀行櫃台有5個窗口，不管你隨機去哪個窗口都可以辦理業務，但是也就僅僅有5個業務員，實現代碼如下：

public class BusinessWindow {

    private static int maxBusinessWindow = 5;

    private static ArrayList<String> NoList = new ArrayList<String>();

    private static ArrayList<BusinessWindow> businessWindowList = new ArrayList<BusinessWindow>();

    private static int currentBusinessWindow = 0;

    static{
        for(int i=0; i<maxBusinessWindow; i++){
            businessWindowList.add(new businessWindowList(i+"號窗口"));
        }
    }

    private BusinessWindow(){}

    private BusinessWindow(String name){
        NoList.add(name);
    }

    public static BusinessWindow getInstance(){
        Random random = new Randow();
        currentBusinessWindow = randow.nexInt(maxBusinessWindow);
        return businessWindowList.get(currentBusinessWindow);
    }

    public static void doSomething(){}
}

四、常見應用場景

• 網站計數器。
• 項目中用於讀取配置文件的類。
• 數據庫連接池。因為數據庫連接池是一種數據庫資源。
• Spring中，每個Bean默認都是單例的，這樣便於Spring容器進行管理。
• Servlet中Application
• Windows中任務管理器，回收站。
  等等。