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單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是Java 中最簡單的設計模式之一。 這種類型的設計模式屬於創建型模式，它提供了一種創建對象的最佳方式。

這種模式涉及到一個單一的類，該類負責創建自己的對象，同時確保只有單個對像被創建。 這個類提供了一種訪問其唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實例化該類的對象。

注意：

  • 1、單例類只能有一個實例。
  • 2、單例類必須自己創建自己的唯一實例。
  • 3、單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

介紹

意圖：保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點。

主要解決：一個全局使用的類頻繁地創建與銷毀。

何時使用：當您想控制實例數目，節省系統資源的時候。

如何解決：判斷系統是否已經有這個單例，如果有則返回，如果沒有則創建。

關鍵代碼：構造函數是私有的。

應用實例： 1、一個黨只能有一個主席。2、Windows 是多進程多線程的，在操作一個文件的時候，就不可避免地出現多個進程或線程同時操作一個文件的現象，所以所有文件的處理必須通過唯一的實例來進行。 3、一些設備管理器常常設計為單例模式，比如一個電腦有兩台打印機，在輸出的時候就要處理不能兩台打印機打印同一個文件。

優點： 1、在內存裡只有一個實例，減少了內存的開銷，尤其是頻繁的創建和銷毀實例（比如管理學院首頁頁面緩存）。2、避免對資源的多重佔用（比如寫文件操作）。

缺點：沒有接口，不能繼承，與單一職責原則衝突，一個類應該只關心內部邏輯，而不關心外面怎麼樣來實例化。

使用場景： 1、要求生產唯一序列號。2、WEB 中的計數器，不用每次刷新都在數據庫裡加一次，用單例先緩存起來。 3、創建的一個對象需要消耗的資源過多，比如I/O 與數據庫的連接等。

注意事項： getInstance()方法中需要使用同步鎖synchronized (Singleton.class)防止多線程同時進入造成instance被多次實例化。

實現

我們將創建一個SingleObject類。SingleObject類有它的私有構造函數和本身的一個靜態實例。

SingleObject類提供了一個靜態方法，供外界獲取它的靜態實例。 SingletonPatternDemo，我們的演示類使用SingleObject類來獲取SingleObject對象。

單例模式的 UML 圖

步驟1

創建一個Singleton 類。

SingleObject.java

public class SingleObject {

   //創建SingleObject 的一個對象private static SingleObject instance = new SingleObject();

   //讓構造函數為private，這樣該類就不會被實例化private SingleObject(){}

   //獲取唯一可用的對象public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }

   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

步驟2

從singleton 類獲取唯一的對象。

SingletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {

      //不合法的構造函數//編譯時錯誤：構造函數SingleObject() 是不可見的//SingleObject object = new SingleObject();

      //獲取唯一可用的對象SingleObject object = SingleObject.getInstance();

      //顯示消息object.showMessage();
   }
}

步驟3

驗證輸出。 

Hello World!

單例模式的幾種實現方式

單例模式的實現有多種方式，如下所示：

1、懶漢式，線程不安全

是否Lazy初始化：是

是否多線程安全：否

實現難度：易

描述：這種方式是最基本的實現方式，這種實現最大的問題就是不支持多線程。因為沒有加鎖synchronized，所以嚴格意義上它並不算單例模式。
這種方式lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工作。

代碼實例：

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

接下來介紹的幾種實現方式都支持多線程，但是在性能上有所差異。

2、懶漢式，線程安全

是否Lazy初始化：是

是否多線程安全：是

實現難度：易

描述：這種方式具備很好的lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率很低，99%情況下不需要同步。
優點：第一次調用才初始化，避免內存浪費。
缺點：必須加鎖synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。
getInstance() 的性能對應用程序不是很關鍵（該方法使用不太頻繁）。

代碼實例：

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

3、餓漢式

是否Lazy初始化：否

是否多線程安全：是

實現難度：易

描述：這種方式比較常用，但容易產生垃圾對象。
優點：沒有加鎖，執行效率會提高。
缺點：類加載時就初始化，浪費內存。
它基於classloder 機制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時就實例化，雖然導致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數都是調用getInstance 方法， 但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態方法）導致類裝載，這時候初始化instance 顯然沒有達到lazy loading 的效果。

代碼實例：

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

4、雙檢鎖/雙重校驗鎖（DCL，即double-checked locking）

JDK版本： JDK1.5起

是否Lazy初始化：是

是否多線程安全：是

實現難度：較複雜

描述：這種方式採用雙鎖機制，安全且在多線程情況下能保持高性能。
getInstance() 的性能對應用程序很關鍵。

代碼實例：

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;  
    }  
}

5、登記式/靜態內部類

是否Lazy初始化：是

是否多線程安全：是

實現難度：一般

描述：這種方式能達到雙檢鎖方式一樣的功效，但實現更簡單。對靜態域使用延遲初始化，應使用這種方式而不是雙檢鎖方式。 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。
這種方式同樣利用了classloder 機制來保證初始化instance 時只有一個線程，它跟第3 種方式不同的是：第3 種方式只要Singleton 類被裝載了，那麼instance 就會被實例化（沒有達到lazy loading效果），而這種方式是Singleton 類被裝載了，instance 不一定被初始化。 因為SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有顯示通過調用getInstance 方法時，才會顯示裝載SingletonHolder 類，從而實例化instance。 想像一下，如果實例化instance 很消耗資源，所以想讓它延遲加載，另外一方面，又不希望在Singleton 類加載時就實例化，因為不能確保Singleton 類還可能在其他的地方被主動使用從而被加載，那麼這個時候實例化instance 顯然是不合適的。 這個時候，這種方式相比第3 種方式就顯得很合理。

代碼實例：

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

6、枚舉

JDK版本： JDK1.5起

是否Lazy初始化：否

是否多線程安全：是

實現難度：易

描述：這種實現方式還沒有被廣泛採用，但這是實現單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支持序列化機制，絕對防止多次實例化。
這種方式是Effective Java 作者Josh Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多線程同步問題，而且還自動支持序列化機制，防止反序列化重新創建新的對象，絕對防止多次實例化。 不過，由於JDK1.5 之後才加入enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實際工作中，也很少用。
不能通過reflection attack 來調用私有構造方法。

代碼實例：

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

經驗之談：一般情況下，不建議使用第1種和第2種懶漢方式，建議使用第3種餓漢方式。只有在要明確實現lazy loading 效果時，才會使用第5 種登記方式。 如果涉及到反序列化創建對象時，可以嘗試使用第6 種枚舉方式。 如果有其他特殊的需求，可以考慮使用第4 種雙檢鎖方式。