从零开始学设计模式（三）——单例模式（Singleton Pattern）

单例模式（Singleton Pattern）

单例模式也属于创建型模式，难度等级为初级，是Java中最简单和最常见的设计模式之一。由于其常见性，单例模式的实现方法衍生出很多种，不同的实现方式在延迟加载、线程安全、性能上各有千秋，后面我们会在程序代码说明章节中来具体分析。

单例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。这个类提供了一种访问其唯一对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

意图

确保一个类只有一个实例，并提供对它的全局访问点

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当你想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

解释

现实世界的例子

只有一座象牙塔可以让巫师们研究他们的魔法。巫师们总是使用同样的魔法象牙塔。这里的象牙塔是单例

简而言之

确保一个特定类永远只创建一个对象实例

维基百科

In software engineering, the singleton pattern is a software design pattern that restricts the instantiation of a class to one object. This is useful when exactly one object is needed to coordinate actions across the system.(在软件工程中，singleton模式是一种软件设计模式，它将类的实例化限制为一个对象。当只需要一个对象来协调整个系统的动作时，这很有用)

程序代码说明

1、懒汉式，线程不安全的

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

这种方式是最基本的实现方式，但由于其不支持多线程，getInstance方法没有加锁，并发的情况下可能产生多个instance实例，所以严格意义上来说它并不算单例模式，但它做到了Lazy初始化。
这种方式目前已不建议使用

2、懒汉式，线程安全的
以上面巫师们的象牙塔为例子

/** * Thread-safe Singleton class. The instance is lazily initialized and thus needs synchronization * mechanism. * * Note: if created by reflection then a singleton will not be created but multiple options in the * same classloader */ public final class ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower { private static ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower instance; private ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower() { // protect against instantiation via reflection if (instance == null) { instance = this; } else { throw new IllegalStateException("Already initialized."); } } /** * The instance gets created only when it is called for first time. Lazy-loading */ public static synchronized ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower getInstance() { if (instance == null) { instance = new ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower(); } return instance; } } 

这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是由于加了同步锁，效率很低，99%情况下不需要同步。对于getInstance()的性能要求不是很高的应用程序可以考虑使用（该方法使用不频繁）

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

此方式需在JDK1.4之后，采用双锁机制，安全且在多线程情况下保持了较高的性能。

public final class ThreadSafeDoubleCheckLocking { private static volatile ThreadSafeDoubleCheckLocking instance; /** * private constructor to prevent client from instantiating. */ private ThreadSafeDoubleCheckLocking() { // to prevent instantiating by Reflection call if (instance != null) { throw new IllegalStateException("Already initialized."); } } /** * Public accessor. * * @return an instance of the class. */ public static ThreadSafeDoubleCheckLocking getInstance() { // local variable increases performance by 25 percent // Joshua Bloch "Effective Java, Second Edition", p. 283-284 ThreadSafeDoubleCheckLocking result = instance; // Check if singleton instance is initialized. If it is initialized then we can return the instance. if (result == null) { // It is not initialized but we cannot be sure because some other thread might have initialized it // in the meanwhile. So to make sure we need to lock on an object to get mutual exclusion. synchronized (ThreadSafeDoubleCheckLocking.class) { // Again assign the instance to local variable to check if it was initialized by some other thread // while current thread was blocked to enter the locked zone. If it was initialized then we can // return the previously created instance just like the previous null check. result = instance; if (result == null) { // The instance is still not initialized so we can safely (no other thread can enter this zone) // create an instance and make it our singleton instance. instance = result = new ThreadSafeDoubleCheckLocking(); } } } return result; } } 

4、饿汉式

这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象，没有锁机制，执行效率很高，但未实现Lazy初始化。

** * Singleton class. Eagerly initialized static instance guarantees thread safety. */ public final class IvoryTower { /** * Private constructor so nobody can instantiate the class. */ private IvoryTower() {} /** * Static to class instance of the class. */ private static final IvoryTower INSTANCE = new IvoryTower(); /** * To be called by user to obtain instance of the class. * * @return instance of the singleton. */ public static IvoryTower getInstance() { return INSTANCE; } } 

基于classloader机制避免了多线程的同步问题，不过由于IvoryTower类在装载时就已经实例化了，显然没有达到lazy loading的效果。

5、登记式/静态内部类

这种方式可以达到上面第三种双检锁一样的功效，具备了延迟加载和线程安全，且实现简单。
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。

public final class InitializingOnDemandHolderIdiom { /** * Private constructor. */ private InitializingOnDemandHolderIdiom() {} /** * @return Singleton instance */ public static InitializingOnDemandHolderIdiom getInstance() { return HelperHolder.INSTANCE; } /** * Provides the lazy-loaded Singleton instance. */ private static class HelperHolder { private static final InitializingOnDemandHolderIdiom INSTANCE = new InitializingOnDemandHolderIdiom(); } } 

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，它跟第 4 种方式不同的是：第 4种方式只要 IvoryTower 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 InitializingOnDemandHolderIdiom 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 HelperHolder 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 HelperHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以我们想让它延迟加载，这种方式相比第 4 种方式就显得更合理。
此方式对JDK版本也无任何要求，在现在能看到的JDK版本下都支持。

6、枚举

Joshua Bloch, Effective Java 2nd Edition p.18 中提出了使用枚举类来实现单例模式，书中指出这是最好的一种方式来实现单例。

A single-element enum type is the best way to implement a singleton

/** * Enum based singleton implementation. Effective Java 2nd Edition (Joshua Bloch) p. 18 * * This implementation is thread safe, however adding any other method and its thread safety * is developers responsibility. */ public enum EnumIvoryTower { INSTANCE; public void whateverMethod() { // .... do something } @Override public String toString() { return getDeclaringClass().getCanonicalName() + "@" + hashCode(); } } 

然后我们使用它

EnumIvoryTower enumIvoryTower1 = EnumIvoryTower.INSTANCE; EnumIvoryTower enumIvoryTower2 = EnumIvoryTower.INSTANCE; assertEquals(enumIvoryTower1, enumIvoryTower2); // true 

总结一下：一般情况下，方式1和2不建议使用，在明确不需要实现lazy loading的时候可以优先选择方式4.在需要lazy loading的时候，可以选择方式3和5。如果还涉及到反序列化创建对象时可以使用最佳方式6

应用场景

当遇到如下情况时可考虑使用单例模式：

• 一个类必须只有一个实例，客户端必须可以从众所周知的通道访问它
• 一个单实例应该可以被子类可扩展，并且客户端能够使用扩展实例而无需修改其代码

使用场景

• 日志记录类
• 管理一个数据库连接
• 文件管理器

Java中的现实例子

• java.lang.Runtime#getRuntime()
• java.awt.Desktop#getDesktop()
• java.lang.System#getSecurityManager()

优缺点

优点：
1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：
1、没有接口，不能继承，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。
2、通过控制自己的创建和生命周期，违反了单一责任原则SRP(Single Responsibility Principle)
3、创建紧密耦合的代码，单例模式的客户端变得难以测试

写在最后

单例模式的使用在Java应用中是非常普遍的，Spring 管理bean 实例默认配置就是单例模式。

下一章节我将介绍建造者模式（Builder Pattern）

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