java的常用设计模式及设计原则详解三（单例模式）

概述

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
注意：

1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

饿汉式（静态成员） 步骤

1. 构造器私有化（防止外部类使用该类的构造器进行实例化）
2. 在类的内部构造对象（使用静态变量进行 *** 作，静态成员在类的装载的时候就完成了实例化）
3. 向外部暴露一个静态的公共方法：getInstance()

实现

创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

UML类图：

实例代码：

// SingleObject类 
public class SingleObject {
 
   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
 
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
 
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
 
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

// SingletonPatternDemo类
public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //不合法的构造函数
      //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();
 
      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

总结

优点： 写法简单，在类进行装载的时候完成了实例化，避免了线程同步的问题。
缺点： 在类的装载的时候完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果，如果在程序中从不使用这个实例，但是却被创建出来了，这会导致内存的浪费。
评价： 这种方式基于类的加载机制避免了多线程同步的问题，不过，由于instance是静态成员，它在类装载的时候就实例化，在单例模式下大多数都是调用getInstance()方法，在一个类中导致类装载的原因有很多种，但是不可以确定是否有其他的原因（比如说静态代码块或静态方法）导致类装载。这个时候实例化instance就没有达到Lazy Loading的效果。单例模式的这种写法可用，但是可能会导致内存浪费。

饿汉式（静态代码块）

// SingleObject类 
public class SingleObject {
 
   //创建 SingleObject 的一个对象引用
   private static SingleObject instance;
 
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
   // 在静态代码块中执行，创建单例对象
   static{
 	instance = new SingleObject();
   }
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
 
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

// SingletonPatternDemo类
public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

总结

这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

懒汉式（线程不安全）

实例代码：

public class Singleton {  
	// 私有静态对象引用
    private static Singleton instance;  
    // 构造器私有
    private Singleton (){}  
  	// 静态类方法，返回类对象
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

总结

是否 Lazy 初始化： 是
是否多线程安全： 否
实现难度： 易

起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。在实际开发中，不要使用这种方式

懒汉式（线程安全，同步方法）

实例代码：

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

总结

是否 Lazy 初始化： 是
是否多线程安全： 是
实现难度： 易

解决了线程不安全问题，效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低。在实际开发中， 不推荐使用这种方式

懒汉式（线程安全，同步代码块）

实例代码：

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

总结

对上面的单例模式的实现方式（懒汉式（线程安全，同步方法））进行改进，因为同步方法效率太低，改为同步产生实例化的的代码块。但是这种同步方法并不能起到线程同步的作用。假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。在实际开发中， 不能使用这种方式

双重检查

实例代码：

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

总结

JDK 版本： JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化： 是
是否多线程安全： 是
实现难度： 较复杂

Double-Check概念 是多线程开发中常使用到的，可以保持高性能， 如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)，直接return实例化对象，也避免的反复进行方法同步。线程安全；延迟加载；效率较高，在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

静态内部类

这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟饿汉式不同的是：饿汉式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比饿汉式就显得很合理。
实例代码：

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

总结

是否 Lazy 初始化： 否
是否多线程安全： 是
实现难度： 易
描述： 这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。

这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
优点： 避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高

枚举

这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

实例代码：

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    	// 方法
    }  
}

总结

JDK 版本： JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化： 否
是否多线程安全： 是
实现难度： 易

借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。推荐使用！

单例模式注意事项和细节说明

• 单例模式保证了 系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。
• 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new。
• 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即：重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、 session工厂等)。