Java的二十三种设计模式（单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式）（一）

从这一块开始，我们详细介绍Java中23种设计模式的概念，应用场景等情况，并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。

创建型模式(5种)：用于描述“怎样创建对象”，它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。

A、单例模式（Singleton）

单例（Singleton）模式：某个类只能生成一个实例，该类提供了一个全局访问点供外部获取该实例，其拓展是有限多例模式。

这样的模式有几个好处：

某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。

有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

优点：只有一个实例，节约了内存资源，提高了系统性能

缺点：

   没有抽象层，不能扩展

   职责过重，违背了单一性原则

首先我们写一个简单的单例类：

public class Singleton {
  /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */
  private static Singleton instance = null;
  /* 私有构造方法，防止被实例化 */
  private Singleton() {
  }
  /* 静态工程方法，创建实例 */
  public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new Singleton();
    }
    return instance;
  }
  /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
  public Object readResolve() {
    return instance;
  }
}

这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字，如下：

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

但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个：

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

似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

①：A、B线程同时进入了第一个if判断

②：A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();

③：由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

④：B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

⑥：此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对该程序做进一步优化：

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

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

public class Singleton {
  /* 私有构造方法，防止被实例化 */
  private Singleton() {
  }
  /* 此处使用一个内部类来维护单例 */
  private static class SingletonFactory {
    private static Singleton instance = new Singleton();
  }
  /* 获取实例 */
  public static Singleton getInstance() {
    return SingletonFactory.instance;
  }
  /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
  public Object readResolve() {
    return getInstance();
  }
}