单例模式

¶单例模式

¶定义

Ensure a class has only one instance , and provide a global point of access to it.
确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

¶单例模式示意图

¶流程

1. 客户向单例提供者请求实例
2. 单例提供者使用类名.getInstance()从单例类中获取唯一实例
3. 这个唯一实例在单例类中先被创建(单例类只能创建一个实例)。单例类通过暴露getInstance()这个静态方法，让外界可以获取这个单个实例。

¶代码实现

1. 普通单例模式(饿汉式)

/**
 * 普通单例模式(饿汉式)
 * 一开始就初始化，线程安全，比较常用，但容易产生垃圾
 *
 * 为什么线程安全？
 * 类加载的方式是按需加载，且只加载一次。当单例类加载完成后，单例实例就被创建供系统使用，线程每次只能获取这一个实例。
 */
public class SingleTonCommon {
    private static final SingleTonCommon singleTon = new SingleTonCommon();

    /* 不让外界调用创建对象，只能让singleTon成员变量创建对象 */
    private SingleTonCommon(){

    }

    public static SingleTonCommon getInstance(){
        return singleTon ;
    }

    /* 单例类里面的类方法不能被外界访问 */
    public static void test(){
        System.out.println("普通单例模式(饿汉式)");
    }

    /* 可以被外界访问的方法 */
    public void getTest(){
        test();
    }
}

2. 普通单例模式(懒汉式)

/**
 * 普通单例模式(懒汉式)
 * 线程不安全，延迟初始化。
 *
 * 为什么线程不安全？
 * 当两个线程同时创建单例对象，线程1到达singleTon == null , 线程1判断完后，还没有创建对象，线程2就抢占cpu资源，开始运行。
 * 这时线程2也到达singleTon == null,并且判断为空，创建一个对象。之后释放cpu资源，线程1再次抢占cpu资源。
 * 这时线程1还是原来的状态singleTon == null,判断为空，线程1再次创建一个对象，这就产生两个对象。
 */
public class SingleTonCommon2 {
    private static SingleTonCommon2 singleTon ;

    private SingleTonCommon2(){

    }

    public static SingleTonCommon2 getInstance(){
        if (singleTon == null){
            singleTon = new SingleTonCommon2();
        }
        return singleTon ;
    }

    /* 单例类里面的类方法不能被外界访问 */
    public static void test(){
        System.out.println("普通单例模式(懒汉式)");
    }

    /* 可以被外界访问的方法 */
    public void getTest(){
        test();
    }
}

3. synchronized单例模式(懒汉式线程安全版)

/**
 * synchronized单例模式单例模式
 *
 * 线程安全，延迟初始化
 *
 * 为什么线程安全？
 * 双重锁单例模式就是懒汉式的升级版，懒汉式在singleTon == null判断时可能会有其他线程能创建多的对象。
 * 但是这里使用synchronized同步锁，使得每次判断只能进一个，就只能创建一个对象。
 */
public class SingleSynchronized {
    private static SingleSynchronized singleTon ;

    private SingleSynchronized(){

    }

    public static SingleSynchronized getInstance(){
        // 第一次判断singleTon == null是在synchronized代码块之外判断，为了避免已经创建了对象还要进入同步代码块的情况，提高效率。
        if (singleTon == null){
            // 与懒汉式情况不同，当线程1到singleTon == null,并进入判断，但是还没创建线程就被线程2抢占cpu资源，然后线程2先一步创建对象
            // 这时虽然线程1已经进入判断，但是因为加入了synchronized线程同步锁，synchronized保证两个线程都是为了创建同一个对象，线程2已经创建线程1就不需要再创建了。
            synchronized (SingleSynchronized.class){
                if (singleTon == null){
                    singleTon = new SingleSynchronized();
                }
            }
        }
        return singleTon ;
    }

    /* 单例类里面的类方法不能被外界访问 */
    public static void test(){
        System.out.println("synchronized单例模式");
    }

    /* 可以被外界访问的方法 */
    public void getTest(){
        test();
    }
}

4. volatile单例模式(懒汉式线程安全版)

/** volatile可以保证可见性,同时保证JVM指令不会进行重排序。
 * 创建对象是需要有几个步骤，通过jvm指令来创建的
 * 创建对象步骤：获取1.singleTon对象需要的内存地址-->2.初始化singleTon对象-->3.将引用变量singleTon指向获取的内存地址
 * volatile禁止jvm对指令进行重排序，因此指令顺序总是1-->2-->3
 */
public class SingleTonVolatitle {
    private volatile static SingleTonVolatitle singleTon ;

    private SingleTonVolatitle(){

    }

    /**
     * 虽然volatile不能保证原子性，但是singleTon赋值堆中的引用是原子操作
     * 如果被两个线程执行， new SingleTonVolatitle()会执行两次，但是赋值操作只进行一次。
     * @return
     */
    public SingleTonVolatitle getInstance(){
        if (singleTon == null) {
            singleTon = new SingleTonVolatitle();
        }
        return singleTon ;
    }

    /* 单例类里面的类方法不能被外界访问 */
    public static void test(){
        System.out.println("volatile单例模式");
    }

    /* 可以被外界访问的方法 */
    public void getTest(){
        test();
    }
}

5. 静态内部类单例模式

/**
 * 静态内部类单例模式
 *
 * 只有第一次调用getInstance方法时，虚拟机才加载静态内部类并初始化，只有一个线程获得对象的初始化锁，其他线程无法进行初始化。
 */
public class SingleTonStaticInner {
    private SingleTonStaticInner(){

    }

    public SingleTonStaticInner getInstance(){
        return Inner.singleTon ;
    }

    /**
     * 静态内部类只有在被加载的时候才会被初始化，并且其生命周期直到系统结束才会结束。
     * 这样就保证有且只有一个对象，不管有多少为线程调用getInstance,都是取的同一个对象
     * 因此，静态内部类能保证单例唯一性，延迟单例实例化以及保证线程安全
     *
     * 但是静态内部类无法传递参数
     */
    private static class Inner{
        private static final SingleTonStaticInner singleTon = new SingleTonStaticInner();
    }
}

6. 枚举单例模式

/**
 * 枚举单例模式
 * 枚举和普通类一样，都拥有字段和方法
 * 枚举的构造方法只能被声明为私有构造方法
 * 枚举是线程安全的，并且在任何情况下，它都是一个单例(我们通过枚举类.INSTANCE就能获得枚举对象)
 */
public enum  SingleTonEnum {
    INSTANCE;
    
    public static SingleTonEnum Instance(){
        return SingleTonEnum.INSTANCE ;
    }
}

7. 静态代码块单例模式

/**
 * 静态代码块单例模式
 * 静态代码块是在单例类在虚拟机中一加载就被调用，并且只调用一次
 * 因此静态代码块单例也是线程安全的
 */
public class SingleTonStatic {
    private static SingleTonStatic singleTon ;
    private SingleTonStatic(){

    }

    static {
        singleTon = new SingleTonStatic();
    }
}

¶应用场景

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页面的计数器，不用把每次刷新都记录到数据库，使用单例模式保持计数器的值，并确保线程安全。
3. 创建一个对象需要消耗的资源很多，如要访问IO或数据库。
4. 需要定义大量的静态常量或静态方法。

¶单例模式优缺点

¶优点

1. 对象的创建会占用内存，只有一个实例对象，这样减少内存开支。
2. 对象会占用系统资源，只有一个实例对象，会减少系统性能开销。
3. 多个实例在内存中可能会产生对多重占用问题，单例模式可以避免这种情况发生。
4. 单例模式可以在全局设置一个访问点，这样可以优化和共享资源访问。

¶缺点

1. 没有接口，扩展困难。
2. 在并发环境下，单例模式没有完成是不能进行测试的，也不能使用mock虚拟一个对象。
3. 单例模式与单一职责原则有冲突。

¶单例的扩展

能产生固定数量对象的模式叫有上限的多例模式。

import java.util.ArrayList;

/**
 * 单例的扩展
 * 有上限的多例
 */
public class SingleTonExtension {
    /* 定义需要产生的对象数量 */
    private static int maxNumSingleTon = 2 ;

    /* 将所有产生的对象放入这个容器，ArrayList是线程不安全的，可以使用线程安全的容器 */
    private static ArrayList<SingleTonExtension> singleTons = new ArrayList<>();

    private SingleTonExtension(){

    }

    /* 使用静态代码块实现单例 */
    static {
        for (int i=0 ; i<maxNumSingleTon ; i++) {
            singleTons.add(new SingleTonExtension());
        }
    }
}

¶文献引用

1. Java双重校验锁实现单例模式
2. 设计模式之单例模式
3. volatile
4. Java 枚举
5. Java之static静态代码块
6. 深入理解单例模式：静态内部类单例原理