设计模式之单例模式详解及代码示例

一、什么是单例模式

　　单例模式的定义就是确保某一个类只有一个实例，并且提供一个全局访问点。属于设计模式三大类中的创建型模式。单例模式具有典型的三个特点

单例类只有一个实例对象；
该单例对象必须由单例类自行创建；
单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点；

　　类图如下：

　　单例模式优缺点

优点：由于单例模式只生成了一个实例，所以能够节约系统资源，减少性能开销，提高系统效率，同时也能够严格控制客户对它的访问。
缺点：也正是因为系统中只有一个实例，这样就导致了单例类的职责过重，违背了“单一职责原则”，同时也没有抽象类，这样扩展起来有一定的困难。

二、如何实现单例模式

　　常见的单例模式实现方式有五种：饿汉式、懒汉式、双重检测锁式、静态内部类式和枚举单例。而在这五种方式中饿汉式和懒汉式又最为常见。

　　1、饿汉式

　　饿汉式写法是线程安全的，调用效率高。但是不能延时加载。代码如下：

public class SingletonDemo1 {

    //线程安全的
    //类初始化时，立即加载这个对象
    private static SingletonDemo1 instance = new SingletonDemo1();

    private SingletonDemo1() {
    }

    //方法没有加同步块，所以它效率高
    public static SingletonDemo1 getInstance() {
        return instance;
    }
}

　　由于该模式在加载类的时候对象就已经创建了，所以加载类的速度比较慢，但是获取对象的速度比较快，且是线程安全的。

　　2、懒汉式

　　懒汉式写法线程不安全。示例代码：

public class SingletonDemo2 {

    //线程不安全的

    private static SingletonDemo2 instance = null;

    private SingletonDemo2() {
    }

    //运行时加载对象
    public static SingletonDemo2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonDemo2();
        }
        return instance;
    }

}

　　由于该模式是在运行时加载对象的，所以加载类比较快，但是对象的获取速度相对较慢，且线程不安全。如果想要线程安全的话可以加上synchronized关键字，但是这样会付出惨重的效率代价。

　　3、双重检测锁

public class SingletonDemo3 {

    private static volatile SingletonDemo3 instance = null;

    private SingletonDemo3() {
    }

    //运行时加载对象
    public static SingletonDemo3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(SingletonDemo3.class){
                 if(instance == null){
                     instance = new SingletonDemo3();
                 }
            }
        }
        return instance;
    }

}

　　双检锁，又叫双重校验锁，综合了懒汉式和饿汉式两者的优缺点整合而成。看上面代码实现中，特点是在synchronized关键字内外都加了一层 if 条件判断，这样既保证了线程安全，又比直接上锁提高了执行效率，还节省了内存空间。

　　由于singleton=new Singleton()对象的创建在JVM中可能会进行重排序，在多线程访问下存在风险，使用volatile修饰signleton实例变量有效，解决该问题。

　　4、静态内部类

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

　　静态内部类的方式效果类似双检锁，但实现更简单。但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。

　　只有第一次调用getInstance方法时，虚拟机才加载 Inner 并初始化instance ，只有一个线程可以获得对象的初始化锁，其他线程无法进行初始化，保证对象的唯一性。目前此方式是所有单例模式中最推荐的模式，但具体还是根据项目选择。

　　5、枚举单例

public enum Singleton  {
    INSTANCE 
 
    //doSomething 该实例支持的行为
      
    //可以省略此方法，通过Singleton.INSTANCE进行操作
    public static Singleton getInstance() {
        return Singleton.INSTANCE;
    }
}

　　默认枚举实例的创建是线程安全的，并且在任何情况下都是单例。实际上

枚举类隐藏了私有的构造器。
枚举类的域是相应类型的一个实例对象。

　　众所周知，单例模式是创建型模式，都会新建一个实例。那么一个重要的问题就是反序列化。当实例被写入到文件到反序列化成实例时，我们需要重写readResolve方法，以让实例唯一。

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

三、单例模式的扩展

　　单例模式可扩展为有限的多例（Multitcm）模式，这种模式可生成有限个实例并保存在 ArmyList 中，客户需要时可随机获取，其结构图如图：

　　在日常场景中有，比如银行柜台有5个窗口，不管你随机去哪个窗口都可以办理业务，但是也就仅仅有5个业务员，实现代码如下：

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+"号窗口"));
        }
    }

    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、常见应用场景

网站计数器。
项目中用于读取配置文件的类。
数据库连接池。因为数据库连接池是一种数据库资源。
Spring中，每个Bean默认都是单例的，这样便于Spring容器进行管理。
Servlet中Application
Windows中任务管理器，回收站。
等等。