Java基礎一一設計模式：單例模式的運用

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建立型模式，它提供了一種建立對象的最佳方式。java

這種模式涉及到一個單一的類，該類負責建立本身的對象，同時確保只有單個對象被建立。這個類提供了一種訪問其惟一的對象的方式，能夠直接訪問，不須要實例化該類的對象。web

注意：數據庫

一、單例類只能有一個實例。設計模式
二、單例類必須本身建立本身的惟一實例。緩存
三、單例類必須給全部其餘對象提供這一實例。安全

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。多線程

**主要解決：**一個全局使用的類頻繁地建立與銷燬。ide

**什麼時候使用：**當您想控制實例數目，節省系統資源的時候。函數

**如何解決：**判斷系統是否已經有這個單例，若是有則返回，若是沒有則建立。性能

**關鍵代碼：**構造函數是私有的。

應用實例：

一、一個班級只有一個班主任。
二、Windows 是多進程多線程的，在操做一個文件的時候，就不可避免地出現多個進程或線程同時操做一個文件的現象，因此全部文件的處理必須經過惟一的實例來進行。
三、一些設備管理器經常設計爲單例模式，好比一個電腦有兩臺打印機，在輸出的時候就要處理不能兩臺打印機打印同一個文件。

優勢：

一、在內存裏只有一個實例，減小了內存的開銷，尤爲是頻繁的建立和銷燬實例（好比管理學院首頁頁面緩存）。
二、避免對資源的多重佔用（好比寫文件操做）。

**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：

一、要求生產惟一序列號。
二、WEB 中的計數器，不用每次刷新都在數據庫里加一次，用單例先緩存起來。
三、建立的一個對象須要消耗的資源過多，好比 I/O 與數據庫的鏈接等。

**注意事項：**getInstance() 方法中須要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class) 防止多線程同時進入形成 instance 被屢次實例化。

實現

咱們將建立一個 SingleObject 類。SingleObject 類有它的私有構造函數和自己的一個靜態實例。

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

步驟 1

建立一個 Singleton 類。

SingleObject.java

public class SingleObject { 
//建立 SingleObject 的一個對象 
private static SingleObject instance = new SingleObject();
 //讓構造函數爲 private，這樣該類就不會被實例化 
private SingleObject(){}
 //獲取惟一可用的對象 
public static SingleObject getInstance(){ 
return instance;
 }
 public void showMessage(){ 
System.out.println("Hello World!"); 
} }

步驟 2

從 singleton 類獲取惟一的對象。

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(); 
//獲取惟一可用的對象 
SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 //顯示消息 
object.showMessage(); 
} }

步驟 3

執行程序，輸出結果：

<pre spellcheck="false" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" 
lang="" cid="n58" 
mdtype="fences"
 style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-position: inherit; background-size: inherit; background-repeat: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; color: rgb(51, 51, 51); font-style: normal; font-variant-ligatures: normal; font-variant-caps: normal; font-weight: 400; letter-spacing: normal; orphans: 2; text-indent: 0px; text-transform: none; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-stroke-width: 0px; text-decoration-style: initial; text-decoration-color: initial;">
Hello World!
</pre>

單例模式的幾種實現方式

單例模式的實現有多種方式，以下所示：

一、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。由於沒有加鎖 synchronized，因此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做。

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，可是在性能上有所差別。

二、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：**這種方式具有很好的 lazy loading，可以在多線程中很好的工做，可是，效率很低，99% 狀況下不須要同步。優勢：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）。

實例

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

三、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：**這種方式比較經常使用，但容易產生垃圾對象。優勢：沒有加鎖，執行效率會提升。缺點：類加載時就初始化，浪費內存。它基於 classloader 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，雖然致使類裝載的緣由有不少種，在單例模式中大多數都是調用 getInstance 方法，可是也不能肯定有其餘的方式（或者其餘的靜態方法）致使類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達到 lazy loading 的效果。

實例

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

四、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，安全且在多線程狀況下能保持高性能。 getInstance() 的性能對應用程序很關鍵。

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; 
} }

五、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：**通常

**描述：**這種方式能達到雙檢鎖方式同樣的功效，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狀況，雙檢鎖方式可在實例域須要延遲初始化時使用。這種方式一樣利用了 classloader 機制來保證初始化 instance 時只有一個線程，它跟第 3 種方式不一樣的是：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 不必定被初始化。由於 SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有經過顯式調用 getInstance 方法時，纔會顯式裝載 SingletonHolder 類，從而實例化 instance。想象一下，若是實例化 instance 很消耗資源，因此想讓它延遲加載，另一方面，又不但願在 Singleton 類加載時就實例化，由於不能確保 Singleton 類還可能在其餘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。

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; 
} }

六、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：**這種實現方式尚未被普遍採用，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，絕對防止屢次實例化。這種方式是 Effective Java 做者 Josh Bloch 提倡的方式，它不只能避免多線程同步問題，並且還自動支持序列化機制，防止反序列化從新建立新的對象，絕對防止屢次實例化。不過，因爲 JDK1.5 以後才加入 enum 特性，用這種方式寫難免讓人感受生疏，在實際工做中，也不多用。不能經過 reflection attack 來調用私有構造方法。

實例

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

 } }