设计模式-创建型模式-单例模式

单例模式（单例设计模式）

在有些系统中，为了节省内存资源、保证数据内容的一致性，对某些类要求只能创建一个实例，这就是所谓的单例模式。

单例模式的定义

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

确保一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

单例模式的特点

单例类只有一个实例对象。
该单例对象必须由单例类自行创建。
单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。

单例模式的优点

单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销。
可以避免对资源的多重占用。
单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。

单例模式的缺点

单例模式一般没有接口，扩展困难。如果要扩展，则除了修改原来的代码，没有第二种途径，违背开闭原则。
在并发测试中，单例模式不利于代码调试。在调试过程中，如果单例中的代码没有执行完，也不能模拟生成一个新的对象。
单例模式的功能代码通常写在一个类中，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则。

单例模式的应用场景

对于 Java 来说，单例模式可以保证在一个 JVM 中只存在单一实例。

需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力，减少 GC。
某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
某些类创建实例时占用资源较多，或实例化耗时较长，且经常使用。
某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。
频繁访问数据库或文件的对象。
对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。
当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。

什么会应用单例模式

Windows中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开不必要的多个任务管理器而造成内存资源的浪费，或出现多个窗口不同步等错误。

在计算机系统中，类似的，还有Windows的回收站、操作系统中的文件系统、多线程中的线程池、显卡的驱动对象、打印机的后台处理服务、应用程序的日志对象、数据库的连接池、网站的计数器、Web 应用的配置对象、应用程序中的对话框、系统中的缓存等常常被设计成单例。

在现实生活中，同样的，例如公司 CEO、部门经理等都属于单例模型。

J2EE 标准中的 ServletContext 和 ServletContextConfig、Spring 框架应用中的 ApplicationContext等也都是单例模式。

单例模式的结构

单例类：包含一个实例且能自行创建这个实例的类。
访问类：使用单例的类。

单例模式各种实现方式

饿汉式实现

该模式的特点是类一旦加载就创建一个单例，保证在调用 getInstance 方法之前单例已经存在了。

饿汉式单例在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题。

public class SingletonPattern {
    public static void main(String[] args) {

    }
}

class Singleton{
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton() {}

    private static Singleton getInstance() {
        return singleton;
    }
}

懒汉式

该模式的特点是类加载时没有生成单例，只有当第一次调用 getlnstance 方法时才去创建这个单例。

优点：延迟加载（需要的时候才去加载）

缺点：线程不安全，在多线程中很容易出现不同步的情况，如在数据库对象进行的频繁读写操作时。

解决办法：
1. 加同步锁
优点：解决了线程不安全的问题。
缺点：效率有点低，每次调用实例都要判断同步锁。
2. 双重检验锁
优点：在并发量不多，安全性不高的情况下或许能很完美运行单例模式
缺点：不同平台编译过程中可能会存在严重安全隐患。（用volatile或用Atomic可解决）

public class SingletonPattern {
    public static void main(String[] args) {

    }
}

class Singleton{
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton() {}

    private static Singleton getlnstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

内部类

优点：延迟加载，线程安全（java中class加载时互斥的），也减少了内存消耗。

内部类是一种很好的实现方式，目前公司内的项目大多都使用这种方式。

public class SingletonInner {

    private SingletonInner() {}

    /**
    * 内部类实现单例模式
    * 延迟加载，减少内存开销
    */
    private static class SingletonHolder {
        private static SingletonInner instance = new SingletonInner();
    }

    public static SingletonInner getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

枚举类

这是网上很多人推荐的一种做法，但是使用的好像广泛。

public enum SingletonEnum {
    /**
    * 1.从Java1.5开始支持;
    * 2.无偿提供序列化机制;
    * 3.绝对防止多次实例化，即使在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候;
    */

    instance;

    private String others;

    SingletonEnum() {}

    public void method() {
        System.out.println("SingletonEnum");
    }

    public String getOthers() {
        return others;
    }

    public void setOthers(String others) {
        this.others = others;
    }
}

单例模式的扩展

单例模式可扩展为有限的多例（Multitcm）模式，这种模式可生成有限个实例并保存在 ArrayList 中，客户需要时可随机获取，其结构图如下图所示。

参考资料

http://c.biancheng.net/view/1338.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/33102022
https://blog.csdn.net/qq_35098526/article/details/79893628
https://www.iteye.com/blog/cantellow-838473
https://www.bilibili.com/video/BV1af4y1y7sS