Java设计模式之单例模式

1、什么是单例模式

Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.

采取一定的办法保证在整个软件系统中，确保对于某个类只能存在一个实例。单例模式有如下三个特点：

①、单例类只能有一个实例

②、单例类必须自己创建自己的实例

③、单例类必须提供外界获取这个实例的方法

2、单例类的设计思想（Singleton）

①、外界不能创建这个类的实例，那么必须将构造器私有化。

publicclassSingleton {
//构造器私有化
privateSingleton(){
 
}
}


②、单例类必须自己创建自己的实例，不能允许在类的外部修改内部创建的实例。

比如将这个实例用 private 声明。为了外界能访问到这个实例，我们还必须提供 get 方法得到这个实例。因为外界不能 new 这个类，所以我们必须用 static 来修饰字段和方法。

//在类的内部自己创建实例
privatestatic Singleton singleton = new Singleton();

//提供get 方法以供外界获取单例
public Singleton getInstance(){
 return singleton;
}


③、是否支持延迟加载？

有些情况下，创建某个实例耗时长，占用资源多，用的时候也少，我们会考虑在用到的时候才会去创建，这就是延迟加载。

但有些情况，按照 fail-fast 的设计原则（有问题及早暴露），比如某个实例占用资源很多，如果延迟加载，会在程序运行一段时间后OOM，如果在程序启动的时候就创建这个实例，我们就可以立即去修复，不会导致程序运行之后的系统奔溃。

所以，是否支持延迟加载需要结合实际情况考虑。

④、保证线程安全

这个是一定要考虑的，如果你写的单例类存在线程安全问题，那就是伪单例了。

3、单例类的几种实现方式

3.1 单例模式之饿汉模式

publicclassSingleton {
//构造器私有化
privateSingleton(){
 
}
//在类的内部自己创建实例
privatestatic Singleton singleton = new Singleton();

//提供get 方法以供外界获取单例
publicstatic Singleton getInstance(){
 return singleton;
}

}


测试：

publicstaticvoidmain(String[] args) {
Singleton s1 = Singleton.getInstance();
Singleton s2 = Singleton.getInstance();
System.out.println(s1.equals(s2)); //true
}


这种模式在类加载的时候实例 singleton 就已经创建并初始化好了，所以是线程安全的。

不过这种模式不支持延迟加载，有可能这个实例化过程很长，那么就会加大类装载的时间；有可能这个实例现阶段根本用不到，那么创建了这个实例，也会浪费内存。但是还是我们前面说的，是否支持延迟加载，需要结合实际情况考虑。

3.2 单例模式之懒汉模式（线程不安全）

//懒汉模式
publicclassSingleton {
//构造器私有化
privateSingleton(){
 
}
//在类的内部自己创建实例的引用
privatestatic Singleton singleton = null;

//提供get 方法以供外界获取单例
publicstatic Singleton getInstance(){
 if(singleton == null){
  singleton = new Singleton();
 }
 return singleton;
}

}


这种方法达到了 lazy-loading 的效果，即我们在第一次需要得到这个单例的时候，才回去创建它的实例，以后再需要就可以不用创建，直接获取了。但是这种设计在多线程的情况下是不安全的。

我们可以创建两个线程来看看这种情况：

publicclassThreadSingletonextendsThread{
@Override
publicvoidrun() {
 try {
  System.out.println(Singleton.getInstance());
 } catch (Exception e) {
  e.printStackTrace();
 }
}
publicstaticvoidmain(String[] args) {
 ThreadSingleton s1 = new ThreadSingleton();
 s1.start(); //com.ys.pattern.Singleton@5994a1e9
 
 ThreadSingleton s2 = new ThreadSingleton();
 s2.start(); //com.ys.pattern.Singleton@40dea6bc
}
}


很明显：最后输出结果的两个实例是不同的。这便是线程安全问题。那么怎么解决这个问题呢？

参考这篇博客：Java多线程同步：http://www.cnblogs.com/ysocean/p/6883729.html

3.3 单例模式之懒汉模式（线程安全）

这里我们采用同步代码块来达到线程安全

//懒汉模式线程安全
publicclassSingleton {
//构造器私有化
privateSingleton(){
 
}
//在类的内部自己创建实例的引用
privatestatic Singleton singleton = null;

//提供get 方法以供外界获取单例
publicstatic Singleton getInstance()throws Exception{
 synchronized (Singleton.class) {
  if(singleton == null){
   singleton = new Singleton();
  }
 }
 return singleton;
}

}


我们给 getInstance() 方法创建实例时加了一把锁 synchronzed，这样会导致这个方法的并发为1，相当于串行操作，如果这个单例在实际项目中会频繁被调用，那就会频繁加锁，释放锁，会有性能瓶颈，不推荐此种方式。

3.4 单例模式之懒汉模式（线程安全）--双重校验锁

分析：上面的例子我们可以看到，synchronized 其实将方法内部的所有语句都已经包括了，每一个进来的线程都要单独进入同步代码块，判断实例是否存在，这就造成了性能的浪费。那么我们可以想到，其实在第一次已经创建了实例的情况下，后面再获取实例的时候，可不可以不进入这个同步代码块？

//懒汉模式线程安全--双重锁校验
publicclassSingleton {
//构造器私有化
privateSingleton(){
 
}
//在类的内部自己创建实例的引用
privatestatic Singleton singleton = null;

//提供get 方法以供外界获取单例
publicstatic Singleton getInstance()throws Exception{
 if(singleton == null){
  synchronized (Singleton.class) {
   if(singleton == null){
    singleton = new Singleton();
   }
  }
 }
 return singleton;
}

}


以上的真的完美解决了单例模式吗？其实并没有，请看下面：

3.5 单例模式之最终版

我们知道编译就是将源代码翻译成机械码的过程，而Java虚拟机的目标代码不是本地机器码，而是虚拟机代码。编译原理里面有个过程是编译优化，就是指在不改变原来语义的情况下，通过调整语句的顺序，来让程序运行的更快，这个过程称为 reorder。

JVM 只是一个标准，它并没有规定有关编译器优化的内容，也就是说，JVM可以自由的实现编译器优化。

那么我们来再来考虑一下，创建一个变量需要哪些步骤？

①、申请一块内存，调用构造方法进行初始化

②、分配一个指针指向该内存

而这两步谁先谁后呢？也就是存在这样一种情况：先开辟一块内存，然后分配一个指针指向该内存，最后调用构造方法进行初始化。

那么针对单例模式的设计，就会存在这样一个问题：线程 A 开始创建 Singleton 的实例，此时线程 B已经调用了 getInstance的（）方法，首先判断 instance 是否为 null。而我们上面说的那种模型， A 已经把 instance 指向了那块内存，只是还没来得及调用构造方法进行初始化，因此 B 检测到 instance 不为 null，于是直接把  instance 返回了。那么问题出现了：尽管 instance 不为 null，但是 A 并没有构造完成，就像一套房子已经给了你钥匙，但是里面还没有装修，你并不能住进去。

解决方案：使用 volatile 关键字修饰 instance

我们知道在当前的Java内存模型下，线程可以把变量保存在本地内存（比如机器的寄存器）中，而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值，而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝，造成数据的不一致。

volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且，当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻，两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。

//懒汉模式线程安全--volatile
publicclassSingleton {
   //构造器私有化
   privateSingleton(){

   }
   //在类的内部自己创建实例的引用
   privatestaticvolatile Singleton singleton = null;

   //提供get 方法以供外界获取单例
   publicstatic Singleton getInstance()throws Exception{
       if(singleton == null){
           synchronized (Singleton.class) {
               if(singleton == null){
                   singleton = new Singleton();
               }
           }
       }
       return singleton;
   }

}


到此我们完美的解决了单例模式的问题。但是 volatile  关键字是 JDK1.5 才有的，也就是 JDK1.5 之前是不能这样用的

3.6 2021年4月补充

上面我们说要加关键字 volatile ，禁止指令重排，防止单例对象new 出来后，并且赋值给 singleton，但是还没来得及初始化这个问题。

现在高版本的 Java（JDK9） 已经在 JDK 内部实现中解决了这个问题，把对象的 new 操作和初始化操作设计为 原子操作。

相关参考链接：

https://shipilev.net/blog/2014/safe-public-construction

https://chriswhocodes.com/vm-options-explorer.html

3.7 单例模式之枚举类

publicenum Singleton{
   INSTANCE;
   privateSingleton(){}
}


通过Java枚举类的自身特性，保证实例创建的线程安全和唯一性。

3.8 单例模式之静态内部类

publicclassInnerSingleton {
   privateInnerSingleton() {
   }

   publicstatic InnerSingleton getInstance() {
       return Inner.instance;
   }

   staticclassInner {
       static InnerSingleton instance = new InnerSingleton();
   }

   publicstaticvoidmain(String[] args) {
       System.out.println(InnerSingleton.getInstance() == InnerSingleton.getInstance());//true
       System.out.println(InnerSingleton.getInstance().equals(InnerSingleton.getInstance()));//true

   }
}


4、单例模式的应用

说了那么多，那么单例模式在实际项目中有啥用呢？

还是根据其核心概念，某个数据在系统中只能存在一份，就可以设计为单例。

1、windows 系统的回收站，我们能在任何盘符删除数据，但是最后都是到了回收站中

2、网站的计数器，不采用单例模式，很难实现同步

3、数据库连接池，可以节省打开或关闭数据库连接所引起的效率损耗，用单例模式来维护，可以大大降低这种损耗。当然对于海量数据系统，会存在多个数据库连接池，比如一个能够快速执行SQL的连接池，还有一个是慢SQL，如果都放在一个池里面，会导致慢SQL执行的时候，长时间占用数据库连接资源，导致其他SQL请求无法响应。

4、系统的配置信息类，通常只存在一个。