十七、单例模式——设计模式学习笔记

作为一个编程菜鸟，过去在学习设计模式的时候，老师给推荐了一本《大话设计模式》。阅读以后受益匪浅，可惜当初没有坚持看完。
最近有时间了，又重新捡起来学习了一遍，整理了一下笔记，由于本人能力有限，欢迎大家批评指正。

1.单例模式 Singleton pattern

• 保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
• 单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，保证了状态的一致，而不会出现多头。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个printer spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干个通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。
• 事实上，通过java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此不做讨论姑且认为反射机制不存在。

2.uml类图

Singleton类，定义了一个getInstance操作，允许客户访问它的唯一实例。getInstance是一个静态方法，主要负责创建自己的唯一实例。

3.四种写法

（1）第一种写法（了解）

package com.longinus.sp;
public class Singleton1 {
    private Singleton1(){}

    public static final Singleton1 s = new Singleton1();
}

（2）懒汉式单例

package com.longinus.sp;
public class Singleton2 {
    private Singleton2(){}
    private static Singleton2 singleton2 = null;

    public static Singleton2 getInstance(){
        if(singleton2 == null){
            singleton2 = new Singleton2();
        }
        return singleton2;
    }
}

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类再外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。
但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，有以下三种方式：

a.在getInstance方法上加同步

package com.longinus.sp;
public class Singleton2_1 {
    private Singleton2_1(){}
    private static Singleton2_1 singleton2_1 = null;

    public static synchronized Singleton2_1 getInstance(){
        if(singleton2_1 == null){
            singleton2_1 = new Singleton2_1();
        }
        return singleton2_1;
    }
}

b.双重检查锁定

package com.longinus.sp;
public class Singleton2_2 {
    private Singleton2_2(){}
    private static Singleton2_2 singleton2_2 = null;

    public static Singleton2_2 getInstance(){
        if(singleton2_2 == null){
            synchronized (Singleton2_2.class) {
                if(singleton2_2 == null){
                    singleton2_2 = new Singleton2_2();
                }
            }
        }
        return singleton2_2;
    }
}

对于实例存在的情况，就直接返回。当实例为空并且同时有两个线程调用getInstance()方法时，它们将都可以通过第一重instance == null的判断。然后由于同步代码块，这两个线程则只有一个进入，另一个在外排队等候，必须要其中的一个进入并出来后，另一个才能进入。而此时如果没有了第二重实例是否为空的判断，则第一个线程创建了实例，而第二个线程还是可以继续再创建新的实例，这就没有达到单例的目的。

c.静态内部类

package com.longinus.sp;
public class Singleton2_3 {
    private static class LazyHolder{
        private static final Singleton2_3 INSTANCE = new Singleton2_3();
    }
    private Singleton2_3() {}
    public static final Singleton2_3 getInstance(){
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

e.三种优化方式的区别：

i.在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟大多数情况下是不需要同步的。
ii.在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗。
iii.利用了classloader的机制来保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，推荐使用这一种

（3）饿汉式单例

package com.longinus.sp;
public class Singleton3 {
    private Singleton3(){}
    private static final Singleton3 SINGLETON3 = new Singleton3();

    public static Singleton3 getInstance(){
        return SINGLETON3;
    }
}

饿汉式在类创建的同时就已经创建好了一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

（4）登记式单例（了解）

package com.longinus.sp;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class Singleton4 {
    private static Map<String, Singleton4> map = new HashMap<>();

    static{
        Singleton4 singleton4 = new Singleton4();
        map.put(singleton4.getClass().getName(),singleton4);
    }

    protected Singleton4(){}

    public static Singleton4 getInstance(String name){
        if (name == null) {
            name = Singleton4.class.getName();
        }
        if(map.get(name) == null){
            try {
                map.put(name, (Singleton4) Class.forName(name).newInstance());
            } catch (InstantiationException | IllegalAccessException | ClassNotFoundException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return map.get(name);
    }
}

登记式单例实际上维护了一组单例类的实例，将这些实例存放在一个Map（登记簿）中，对于已经登记过的实例，则从Map直接返回，对于没有登记的，则先登记，然后返回。
其实相当于内部实现还是采用了饿汉式单例，因为其中的static方法块中的单例在类被装载的时候就被实例化了。

4.懒汉式与饿汉式的区别

• 饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，懒汉式本身是非线程安全的，有可能会创建多个对象。
• 饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管以后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相对应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成。
• 而懒汉式会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化。
• 饿汉式是空间换时间，懒汉式是时间换空间。

最后

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