## 引入 在閻宏博士的《JAVA與模式》一書中開頭是這樣描述單例模式的： > 作為對象的創建模式，單例模式確保某一個類只有一個實例，而且自行實例化并向整個系統提供這個實例。這個類稱為單例類。 單例模式確保某個類只有一個實例，而且自行實例化并向整個系統提供這個實例。在計算機系統中，線程池、緩存、日志對象、對話框、打印機、顯卡的驅動程序對象常被設計成單例。這些應用都或多或少具有資源管理器的功能。每臺計算機可以有若干個打印機，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個打印作業同時輸出到打印機中。每臺計算機可以有若干通信端口，系統應當集中管理這些通信端口，以避免一個通信端口同時被兩個請求同時調用。總之，選擇單例模式就是為了避免不一致狀態，避免政出多頭。 ## 基本定義 所謂單例模式就是確保某一個類只有一個實例，并且提供一個全局訪問點。通過單例模式可以保證系統中一個類中只有一個實例。 單例模式有以下特點： 　　1、單例類只能有一個實例。 　　2、單例類必須自己創建自己的唯一實例。 　　3、單例類必須給所有其他對象提供這一實例。 ## 模式結構  單例模式可以說是最簡單的設計模式了，它僅有一個角色Singleton。 Singleton：單例。 ## 代碼實現 #### 餓漢式單例類 ~~~ public class EagerSingleton { private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton(); /** * 私有默認構造子 */ private EagerSingleton(){} /** * 靜態工廠方法 */ public static EagerSingleton getInstance(){ return instance; } } ~~~ 上面的例子中，在這個類被加載時，靜態變量instance會被初始化，此時類的私有構造子會被調用。這時候，單例類的唯一實例就被創建出來了。 　　餓漢式其實是一種比較形象的稱謂。既然餓，那么在創建對象實例的時候就比較著急，餓了嘛，于是在裝載類的時候就創建對象實例。 餓漢式是典型的空間換時間，當類裝載的時候就會創建類的實例，不管你用不用，先創建出來，然后每次調用的時候，就不需要再判斷，節省了運行時間。 #### 懶漢式單例類 ~~~ public class LazySingleton { private static LazySingleton instance = null; /** * 私有默認構造子 */ private LazySingleton(){} /** * 靜態工廠方法 */ public static synchronized LazySingleton getInstance(){ if(instance == null){ instance = new LazySingleton(); } return instance; } } ~~~ 上面的懶漢式單例類實現里對靜態工廠方法使用了同步化，以處理多線程環境。 　　懶漢式其實是一種比較形象的稱謂。既然懶，那么在創建對象實例的時候就不著急。會一直等到馬上要使用對象實例的時候才會創建，懶人嘛，總是推脫不開的時候才會真正去執行工作，因此在裝載對象的時候不創建對象實例。 懶漢式是典型的時間換空間,就是每次獲取實例都會進行判斷，看是否需要創建實例，浪費判斷的時間。當然，如果一直沒有人使用的話，那就不會創建實例，則節約內存空間。 　　由于懶漢式的實現是線程安全的，這樣會降低整個訪問的速度，而且每次都要判斷。那么有沒有更好的方式實現呢？ #### 雙重檢查加鎖 可以使用“雙重檢查加鎖”的方式來實現，就可以既實現線程安全，又能夠使性能不受很大的影響。 　　所謂“雙重檢查加鎖”機制，指的是：并不是每次進入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，進入方法后，先檢查實例是否存在，如果不存在才進行下面的同步塊，這是第一重檢查，進入同步塊過后，再次檢查實例是否存在，如果不存在，就在同步的情況下創建一個實例，這是第二重檢查。這樣一來，就只需要同步一次了，從而減少了多次在同步情況下進行判斷所浪費的時間。 　　“雙重檢查加鎖”機制的實現會使用關鍵字volatile，它的意思是：被volatile修飾的變量的值，將不會被本地線程緩存，所有對該變量的讀寫都是直接操作共享內存，從而確保多個線程能正確的處理該變量。 ~~~ public class Singleton { private volatile static Singleton instance = null; private Singleton(){} public static Singleton getInstance(){ //先檢查實例是否存在，如果不存在才進入下面的同步塊 if(instance == null){ //同步塊，線程安全的創建實例 synchronized (Singleton.class) { //再次檢查實例是否存在，如果不存在才真正的創建實例 if(instance == null){ instance = new Singleton(); } } } return instance; } } ~~~ 這種實現方式既可以實現線程安全地創建實例，而又不會對性能造成太大的影響。它只是第一次創建實例的時候同步，以后就不需要同步了，從而加快了運行速度。 　　提示：由于volatile關鍵字可能會屏蔽掉虛擬機中一些必要的代碼優化，所以運行效率并不是很高。因此一般建議，沒有特別的需要，不要使用。也就是說，雖然可以使用“雙重檢查加鎖”機制來實現線程安全的單例，但并不建議大量采用，可以根據情況來選用。 #### Lazy initialization holder class模式 這個模式綜合使用了Java的類級內部類和多線程缺省同步鎖的知識，很巧妙地同時實現了延遲加載和線程安全。 **類級內部類** 　　簡單點說，類級內部類指的是，有static修飾的成員式內部類。如果沒有static修飾的成員式內部類被稱為對象級內部類。 　　類級內部類相當于其外部類的static成分，它的對象與外部類對象間不存在依賴關系，因此可直接創建。而對象級內部類的實例，是綁定在外部對象實例中的。 　　類級內部類中，可以定義靜態的方法。在靜態方法中只能夠引用外部類中的靜態成員方法或者成員變量。 　　類級內部類相當于其外部類的成員，只有在第一次被使用的時候才被會裝載。 **多線程缺省同步鎖** 　　在多線程開發中，為了解決并發問題，主要是通過使用synchronized來加互斥鎖進行同步控制。但是在某些情況中，JVM已經隱含地為您執行了同步，這些情況下就不用自己再來進行同步控制了。這些情況包括： * 　　1.由靜態初始化器（在靜態字段上或static{}塊中的初始化器）初始化數據時 * 　　2.訪問final字段時 * 　　3.在創建線程之前創建對象時 * 　　4.線程可以看見它將要處理的對象時 **線程安全** 如果你的代碼所在的進程中有多個線程在同時運行，而這些線程可能會同時運行這段代碼。如果每次運行結果和單線程運行的結果是一樣的，而且其他的變量的值也和預期的是一樣的，就是線程安全的。 或者說：一個類或者程序所提供的接口對于線程來說是原子操作，或者多個線程之間的切換不會導致該接口的執行結果存在二義性,也就是說我們不用考慮同步的問題，那就是線程安全的。 **解決方案的思路** 　　要想很簡單地實現線程安全，可以采用靜態初始化器的方式，它可以由JVM來保證線程的安全性。比如前面的餓漢式實現方式。但是這樣一來，不是會浪費一定的空間嗎？因為這種實現方式，會在類裝載的時候就初始化對象，不管你需不需要。 如果現在有一種方法能夠讓類裝載的時候不去初始化對象，那不就解決問題了？一種可行的方式就是采用類級內部類，在這個類級內部類里面去創建對象實例。這樣一來，只要不使用到這個類級內部類，那就不會創建對象實例，從而同時實現延遲加載和線程安全。 　　示例代碼如下： ~~~ public class Singleton { private Singleton(){} /** * 類級的內部類，也就是靜態的成員式內部類，該內部類的實例與外部類的實例 * 沒有綁定關系，而且只有被調用到時才會裝載，從而實現了延遲加載。 */ private static class SingletonHolder{ /** * 靜態初始化器，由JVM來保證線程安全 */ private static Singleton instance = new Singleton(); } public static Singleton getInstance(){ return SingletonHolder.instance; } } ~~~ 當getInstance方法第一次被調用的時候，它第一次讀取SingletonHolder.instance，導致SingletonHolder類得到初始化；而這個類在裝載并被初始化的時候，會初始化它的靜態域，從而創建Singleton的實例，由于是靜態的域，因此只會在虛擬機裝載類的時候初始化一次，并由虛擬機來保證它的線程安全性。 　　這個模式的優勢在于，getInstance方法并沒有被同步，并且只是執行一個域的訪問，因此延遲初始化并沒有增加任何訪問成本。 #### 單例和枚舉 按照《高效Java 第二版》中的說法：單元素的枚舉類型已經成為實現Singleton的最佳方法。用枚舉來實現單例非常簡單，只需要編寫一個包含單個元素的枚舉類型即可。 使用枚舉來實現單實例控制會更加簡潔，而且無償地提供了序列化機制，并由JVM從根本上提供保障，絕對防止多次實例化，是更簡潔、高效、安全的實現單例的方式。 具體實現見附錄。 ## 優點 * 一、節約了系統資源。由于系統中只存在一個實例對象，對與一些需要頻繁創建和銷毀對象的系統而言，單例模式無疑節約了系統資源和提高了系統的性能。 * 二、因為單例類封裝了它的唯一實例，所以它可以嚴格控制客戶怎樣以及何時訪問它。 ## 缺點 * 一、由于單例模式中沒有抽象層，因此單例類的擴展有很大的困難。 * 二、單例類的職責過重，在一定程度上違背了“單一職責原則”。 ## 使用場景 下列幾種情況可以使用單例模式。 * 一、系統只需要一個實例對象，如系統要求提供一個唯一的序列號生成器，或者需要考慮資源消耗太大而只允許創建一個對象。 * 二、客戶調用類的單個實例只允許使用一個公共訪問點，除了該公共訪問點，不能通過其他途徑訪問該實例。 ## 總結 * 一、單例模式中確保程序中一個類最多只有一個實例。 * 二、單例模式的構造器是私有了，而且它必須要提供實例的全局訪問點。 * 三、單例模式可能會因為多線程的問題而帶來安全隱患。