设计模式-单例模式

概述

Java 单例模式是一种创建对象的设计模式。单例模式确保一个类只有一个实例被创建，并提供一个全局访问点来访问该实例。这种模式是一种创建型模式，它涉及一个单一的类，该类负责创建自己的一个对象，同时确保只能创建一个对象。

实现方式

饿汉式

public class Singleton {
    /**
     * 私有化构造器，外部不能进行实例化
    **/
    private Singleton() {}

    /**
     * 类加载时就进行实例化
     * private 外部不能进行访问&修改
     * final 保证属性不会被修改，final特征的变量在编译时就绑定了值，而不是在运行时，提高了程序的性能
     * 静态变量在内存中只有一个拷贝，JVM只为静态变量分配一次内存，保证了线程安全
     */
    private final static Singleton SINGLETON = new Singleton();

    /**
     * 提供一个公有的方法，返回实例对象
     */
    public static Singleton getInstance() {
        return SINGLETON;
    }
}

优点：

1. 线程安全：在类加载时就进行实例化，只有一个实例对象存在，因此不存在线程安全性问题；
2. 实现简单：实现简单，代码实现也比较简单；
3. 没有锁机制，执行效率高。

缺点：

1. 没有懒加载：由于是在类加载时就进行实例化，所以可能会导致内存浪费，无法满足懒加载的需求；
2. 无法通过继承来进行扩展：由于构造器是私有的，不能通过继承来生成子类的实例；
3. 可读性差：在修饰static变量时需要同时使用final和static修饰，并且是在变量声明时进行初始化，这会降低代码的可读性。

饿汉式单例模式适用于只需要一个实例对象，而且实例对象在程序运行期间不需要更改的情况下，是一种简单高效的实现方式。但是如果需要更高的灵活性和扩展性，建议使用懒汉式单例模式等其他单例模式来实现。

懒汉式

• 线程不安全

public class Singleton {
    /**
     * 私有化构造器，外部不能进行实例化
    **/
    private Singleton() {}

    /**
     * 声明一个静态的实例
     **/
    private static Singleton singleton;

    /**
     * 提供一个全局的静态方法
     * 用到的时候才去实例化
     * 在多线程的情况下，可能会出现多个实例
     */
    public static Singleton getInstance() {
        if (null == singleton) {
            singleton = new Singleton();
        }

        return singleton;
    }
}

2. 线程安全

/**
 * @author yiwenjie
 * 懒汉式单例
 */
public class Singleton {
    /**
     * 私有化构造器，外部不能进行实例化
    **/
    private Singleton() {}

    /**
     * 声明一个静态的实例
     **/
    private static Singleton singleton;

    /**
     * 提供一个全局的静态方法
     * 用到的时候才去实例化
     * synchronized 保证线程安全
     */
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (null == singleton) {
            singleton = new Singleton();
        }

        return singleton;
    }
}

• 优点：

1. 节省了系统资源。只有当需要使用单例对象时才进行实例化，避免了一开始就占用内存资源的问题。

2. 具有延迟加载的特性，即按需加载，提高了程序的性能和响应速度。

• 缺点：

1. 在多线程的情况下，如果没有进行同步处理，可能会出现多个线程同时判断singleton为null的情况，从而导致实例化多个对象的问题。
2. 存在并发风险。需要特别注意，如果实例化单例的代码存在并发风险时，如多个线程同时执行getInstance()方法，可能会导致多个实例被创建。
3. synchronized关键字的影响。如果使用synchronized关键字进行同步处理，会影响getInstance()方法的性能，降低程序的执行效率

双重检查

/**
 * @author yiwenjie
 * 懒汉式单例
 */
public class Singleton {
    /**
     * 私有化构造器，外部不能进行实例化
    **/
    private Singleton() {}

    /**
     * 声明一个静态的实例
     * volatile关键字保证了变量的可见性，防止指令重排序
     **/
    private static volatile Singleton singleton;

    /**
     * 提供一个全局的访问点
     * 先判断是否为空，为空则加锁，再判断是否为空，为空则创建实例
     */
    public static Singleton getInstance() {
        if (null == singleton) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (null == singleton) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }

        return singleton;
    }
}

优点：

1. 线程安全：通过双重校验锁，保证了线程安全。
2. 懒加载：只有在第一次调用getInstance方法时才会创建对象，节省了内存。
3. 高效性：相对于单重校验锁的方式，使用双重校验锁的方式，在保证线程安全的情况下，可以提高效率，在多线程环境下性能得到大大提升。

缺点：

1. 可能会引发空指针异常：如果在某个线程创建对象时，其他线程未执行第一个if判断而直接返回了singleton的值，此时将会引发NullPointerException异常。
2. 可读性差：由于双重校验锁的代码比较复杂，可读性比较差，可读性是一种代码的质量，可读性差的代码维护难度大。

总之，双重校验锁单例模式在多线程高并发环境下比较常用，但需要注意线程安全和空指针异常问题。在单线程或者低并发环境下，可以使用饿汉式单例模式，代码简单，可读性好。

静态内部类

public class Singleton {
    /**
     * 私有化构造器，外部不能进行实例化
    **/
    private Singleton() {}

    public static class SingletonInstance {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

优点：

1. 线程安全：由于JVM在加载静态内部类的时候进行了同步，所以保证了线程安全。
2. 懒加载：只有在第一次调用getInstance方法时才会创建对象，节省了内存。
3. 高效性：相对于双重校验锁的方式，使用静态内部类的方式，在保证线程安全的情况下，可以提高效率，在多线程环境下性能得到大大提升。
4. 线程安全和懒加载的最佳实践：该方式是线程安全和懒加载的最佳实践，代码简单易懂，可读性好。

缺点：

1. 可能会引发反序列化漏洞：如果该类被反序列化到内存中，反序列化时会重新创建新的实例，破坏单例模式。
2. 不支持传参：该实现方式没有办法支持传参。 总的来说，静态内部类实现单例模式是一种优秀的选择，具有懒加载和线程安全的特性，可以保证单例模式的正确性和可读性。但是需要注意对象可能会被序列化，因此可以考虑增加readResolve方法防止反序列化攻击。

枚举

public enum Singleton {
    SINGLETON;

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

注意事项

当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获得对象的方法，而不是使用new

使用场景

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）