【java设计模式】之单例（Singleton）模式

1. 单例模式的定义

单例模式（Singleton Pattern）是一个比较简单的模式，其原始定义如下：Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it. 即确保只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。单例模式的通用类如下图所示：

Singleton类称为单例类，通过使用private的构造函数确保了在一个应用中只产生一个实例，并且是自行实例化的（在Singleton中自己new Singleton()）。单例模式的通用代码如下（这种也称为饿汉式单例）：

/****************** 单例模式：程序清单1 ***************************/
public class Singleton {
	private static Singleton instance = new Singleton(); //1.自己内部new一个

	private Singleton() { //2.私有构造函数，防止被实例化

	}
	//3.提供一个公共接口，用来返回刚刚new出来的对象
 	public static Singleton getInstance() {
		 return instance;
	}

	public void test() {
		System.out.println("singleton");
	}
}
/********************************************************************/

2. 单例模式存在的线程安全问题

上面是一个经典的单例模式程序，且这个程序不会产生线程同步问题，因为类第一次加载的时候就初始化了instance。但是单例模式还有其他的实现方式，就有可能会出现线程同步问题，请看下面的例子：

/*
 * 这种方式就是非线程安全了（懒汉式单例）
 */
public class Singleton {
	private static Singleton instance = null;
	private Singleton() {

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

为什么会出现线程安全问题呢？假如一个线程A执行到instance = new Singleton()，但还没有获得对象（对象的初始化是需要时间的），第二个线程B也在执行，执行到判断instance == null时，那么线程B获得的条件也是真，于是也进入实例化instance了，然后线程A获得了一个对象，线程B也获得了一个对象，在内存中就存在了两个对象了！

解决线程安全问题的方法有很多，比如我们可以在getInstance()方法前面加上synchronized关键字来解决，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()时都要对对象上锁。事实上，只要在第一次创建对象的时候加锁，后面创建完了就不需要了，所以我们可以做进一步的改进，如下：

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

我们将synchronized关键字加到内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance == null的时候且创建对象的时候再加锁，这样要比上面的那种方式好。但是这种方式还是有可能会产生线程安全问题，因为JVM中创建对象和赋值操作是分开进行的，即instance = new Singleton()这句是分两步进行的。过程是这样的：JVM会为先给Singleton实例分配一个空白的内存，并赋值给instance成员，但是此时JVM并没有开始初始化这个实例，然后再去new一个Singleton对象赋给instance。这就会导致线程问题了，比如A线程进入synchronized代码块了，执行完了instance
= new Singleton()后退出代码块，但是此时还没有真正初始化，这是线程B进来了，发现instance不为null，于是就立马返回该instance（其实是没有初始化好的），然后B就开始使用该instance，却发现没初始化，于是就出问题了。

所以要解决这种“懒汉式”单例的线程问题，一种建议使用上面的程序清单1的方式，即使用”饿汉式“单例。另一种，在实际中，也可以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()方法的时候，JVM能够帮我们保证instance实例只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，见如下代码：

/****************** 单例模式：程序清单2 ****************************/
public class Singleton {
    private Singleton() {  //私有构造方法，防止被实例化
    }  

    /*使用一个内部类来维护单例 */
    private static class SingletonFactory {
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }  

    public static Singleton getInstance() {  //获取实例
        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();
    }
}
/********************************************************************/

3.单例模式的克隆

上面分析了单例模式的线程安全问题，还有个问题就是需要考虑单例模式中对象的复制问题。在java中，对象默认是不可以被复制的，但是若实现了Cloneable接口，并实现了clone方法，则可以直接通过对象复制方式创建一个新对象，对象复制不是调用类的构造方法，所以即使是私有的构造方法，对象仍然是可以被复制的。但是在一般情况下，单例类很少会主动要求被复制的，所以解决该问题最好的方法就是单例类不要实现Cloneable接口即可。

4. 单例模式的扩展

如果一个类可以产生多个对象且数量不受限制，是非常容易的，直接new就是了。但是如果使用单例模式，但是要求一个类真能产生两三个对象呢？这种情况该如何实现？针对这种情况，我们就需要在单例类中维护一个变量，用来表示实例的个数，而且还需要一些容器来保存不同的实例以及实例对应的属性，如下：

/*************************** 单例模式的扩展：程序清单3 ************************************/
public class Singleton {
	//定义最多能产生的实例数量
	private static int maxNumOfInstance = 3;

	//存储每个实例的名字
	private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<String>();

	//存储每个实例对象
	private static ArrayList<Singleton> instanceList = new ArrayList<Singleton>();

	//当前实例的索引
	private static int indexOfInstance = 0;

	//静态代码块，在类加载的时候初始化2个实例
	static {
		for(int i = 0; i < maxNumOfInstance; i++) {
			instanceList.add(new Singleton("instance" + (i+1)));
		}
	}

	private Singleton() {

	}
	private Singleton(String name) { //带参数的私有构造函数
		nameList.add(name);
	}

	//返回实例对象
	public static Singleton getInstance() {
		Random random = new Random();
		//随机挑选一个实例
		indexOfInstance = random.nextInt(maxNumOfInstance);
		return instanceList.get(indexOfInstance);
	}
	public void test() {
		System.out.println(nameList.get(indexOfInstance));
	}
}
/******************************************************************************************/

我们写一个测试程序看看结果就知道了：

public class SingletonTest {

	public static void main(String[] args) {
		int num = 5;
		for(int i = 0; i < num; i++) {
			Singleton instance = Singleton.getInstance();
			instance.test();
		}
	}
}

这样我们就实现了用单例模式产生固定数量的实例。测试结果输出如下：

instance1
instance1
instance2
instance3
instance3

5. 单例模式的优缺点

优点：

1.在内存中只存在一个实例，所有减小诶村的开支，特别是一个对象需要频繁的创建和销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显；

2.减小了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留在内存中。

3.可以避免对资源的多重占用，如写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。

4.单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

缺点：

1.单例模式没有接口，扩展很难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现

2.单例模式对测试是不利的，在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的。

6. 单例模式的应用场景

在一个系统中，要求一个类仅有一个对象时，可以采用单例模式：

1. 要求生成唯一序列号的环境。

2. 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如一个web页面上的访问量，可以不用每次刷新都把记录存到数据库，但是要确保单例线程安全。

3. 创建一个对象需要消耗的资源过多，如要访问IO和数据库等资源。

4. 需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式，当然也可以直接声明为static方式。

Spring中也用到了单例模式，每个Bean默认就是单例的，这样做的有点事Spring容器可以管理这些Bean的生命期，决定什么时候创建出来，什么时候销毁，销毁的时候要如何处理等等。如果采用非单例模式（Prototype类型），则Bean初始化后的管理交给J2EE容器了，Spring容器就不在跟踪管理Bean的生命周期了。

单例模式就讨论这么多吧，如有错误之处，欢迎留言指正~

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