前言

今天介紹下單例模式，單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)模式之一。這種類型的設(shè)計(jì)模式屬于創(chuàng)建型模式，它提供了一種創(chuàng)建對(duì)象的最佳方式。

正文

舉個(gè)常見的單例模式例子，我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娔X上都有一個(gè)回收站，在整個(gè)操作系統(tǒng)中，回收站只能有一個(gè)實(shí)例，整個(gè)系統(tǒng)都使用這個(gè)唯一的實(shí)例，而且回收站自行提供自己的實(shí)例。因此回收站是單例模式的應(yīng)用。

單例模式概念

單例模式(Singleton Pattern)：確保某一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，而且自行實(shí)例化并向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例，這個(gè)類稱為單例類，它提供全局訪問(wèn)的方法。單例模式是一種對(duì)象創(chuàng)建型模式。

單例模式結(jié)構(gòu)圖

單例模式是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)模式一，在它的核心結(jié)構(gòu)中只包含一個(gè)被稱為單例類的特殊類。
單例模式有三個(gè)特性：

• 單例類只能有一個(gè)實(shí)例
• 單例類必須自行創(chuàng)建自己的唯一的實(shí)例
• 單例類必須給所有其他對(duì)象提供這一實(shí)例

單例模式結(jié)構(gòu)如圖所示：

單例模式結(jié)構(gòu)圖中只包含一個(gè)單例角色：

• Singleton（單例）：在單例類的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)只生成一個(gè)實(shí)例，同時(shí)它提供一個(gè)靜態(tài)的getInstance()工廠方法，讓客戶可以訪問(wèn)它的唯一實(shí)例；為了防止在外部對(duì)其實(shí)例化，將其構(gòu)造函數(shù)設(shè)計(jì)為私有；在單例類內(nèi)部定義了一個(gè)Singleton類型的靜態(tài)對(duì)象，作為外部共享的唯一實(shí)例。

單例模式的幾種實(shí)現(xiàn)方式

單例模式的實(shí)現(xiàn)有多種方式，如下所示：

1、懶漢式，線程不安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：否
實(shí)現(xiàn)難度：易
描述：這種方式是最基本的實(shí)現(xiàn)方式，這種實(shí)現(xiàn)最大的問(wèn)題就是不支持多線程。因?yàn)闆](méi)有加鎖 synchronized，所以嚴(yán)格意義上它并不算單例模式。
這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工作。

代碼實(shí)例：

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

接下來(lái)介紹的幾種實(shí)現(xiàn)方式都支持多線程，但是在性能上有所差異。

2、懶漢式，線程安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：易
描述：這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。
優(yōu)點(diǎn)：第一次調(diào)用才初始化，避免內(nèi)存浪費(fèi)。
缺點(diǎn)：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會(huì)影響效率。
getInstance() 的性能對(duì)應(yīng)用程序不是很關(guān)鍵（該方法使用不太頻繁）。

代碼實(shí)例：

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

3、餓漢式

是否 Lazy 初始化：否
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：易
描述：這種方式比較常用，但容易產(chǎn)生垃圾對(duì)象。
優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有加鎖，執(zhí)行效率會(huì)提高。
缺點(diǎn)：類加載時(shí)就初始化，浪費(fèi)內(nèi)存。
它基于classloder機(jī)制避免了多線程的同步問(wèn)題，不過(guò)，instance在類裝載時(shí)就實(shí)例化，雖然導(dǎo)致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數(shù)都是調(diào)用getInstance方法， 但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態(tài)方法）導(dǎo)致類裝載，這時(shí)候初始化instance顯然沒(méi)有達(dá)到lazy loading的效果。

代碼實(shí)例：

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

4、雙檢鎖/雙檢查鎖（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：較復(fù)雜
描述：這種方式稱為雙重檢查鎖(Double-Check Locking)，需要注意的是，如果使用雙重檢查鎖定來(lái)實(shí)現(xiàn)懶漢式單例類，需要在靜態(tài)成員變量instance之前增加修飾符volatile，被volatile修飾的成員變量可以確保多個(gè)線程都能夠正確處理，且該代碼只能在JDK 1.5及以上版本中才能正確執(zhí)行。由于volatile關(guān)鍵字會(huì)屏蔽Java虛擬機(jī)所做的一些代碼優(yōu)化，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，因此即使使用雙重檢查鎖定來(lái)實(shí)現(xiàn)單例模式也不是一種完美的實(shí)現(xiàn)方式。

代碼實(shí)例：

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

5、靜態(tài)內(nèi)部類

是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：一般
描述：餓漢式單例類不能實(shí)現(xiàn)延遲加載，不管將來(lái)用不用始終占據(jù)內(nèi)存；懶漢式單例類線程安全控制煩瑣，而且性能受影響?？梢?，無(wú)論是餓漢式單例還是懶漢式單例都存在這樣那樣的問(wèn)題，有沒(méi)有一種方法，能夠?qū)煞N單例的缺點(diǎn)都克服，而將兩者的優(yōu)點(diǎn)合二為一呢？答案是：Yes！下面我們來(lái)學(xué)習(xí)這種更好的被稱之為Initialization Demand Holder (IoDH)的技術(shù)。在IoDH中，我們?cè)趩卫愔性黾右粋€(gè)靜態(tài)(static)內(nèi)部類，在該內(nèi)部類中創(chuàng)建單例對(duì)象，再將該單例對(duì)象通過(guò)getInstance()方法返回給外部使用。由于靜態(tài)單例對(duì)象沒(méi)有作為Singleton的成員變量直接實(shí)例化，因此類加載時(shí)不會(huì)實(shí)例化Singleton，第一次調(diào)用getInstance()時(shí)將加載內(nèi)部類SingletonHolder，在該內(nèi)部類中定義了一個(gè)static類型的變量instance，此時(shí)會(huì)首先初始化這個(gè)成員變量，由Java虛擬機(jī)來(lái)保證其線程安全性，確保該成員變量只能初始化一次。由于getInstance()方法沒(méi)有任何線程鎖定，因此其性能不會(huì)造成任何影響。通過(guò)使用IoDH，我們既可以實(shí)現(xiàn)延遲加載，又可以保證線程安全，不影響系統(tǒng)性能，不失為一種最好的Java語(yǔ)言單例模式實(shí)現(xiàn)方式**（其缺點(diǎn)是與編程語(yǔ)言本身的特性相關(guān)，很多面向?qū)ο笳Z(yǔ)言不支持IoDH）。

代碼實(shí)例：

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

6、枚舉

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：易
描述：這種實(shí)現(xiàn)方式還沒(méi)有被廣泛采用，但這是實(shí)現(xiàn)單例模式的最佳方法。它更簡(jiǎn)潔，自動(dòng)支持序列化機(jī)制，絕對(duì)防止多次實(shí)例化。
這種方式是Effective Java作者Josh Bloch提倡的方式，它不僅能避免多線程同步問(wèn)題，而且還自動(dòng)支持序列化機(jī)制，防止反序列化重新創(chuàng)建新的對(duì)象，絕對(duì)防止多次實(shí)例化。不過(guò)，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺(jué)生疏，在實(shí)際工作中，也很少用。
不能通過(guò)reflection attack來(lái)調(diào)用私有構(gòu)造方法。

代碼實(shí)例：

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

經(jīng)驗(yàn)之談：一般情況下，不建議使用第 1 種和第 2 種懶漢方式，建議使用第 3 種餓漢方式。只有在要明確實(shí)現(xiàn)lazy loading效果時(shí)，才會(huì)使用第 5 種登記方式。如果涉及到反序列化創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，可以嘗試使用第 6 種枚舉方式。如果有其他特殊的需求，可以考慮使用第 4 種雙檢鎖方式。

Java中的語(yǔ)言中的單例模式

Java語(yǔ)言中就有很多單例模式的應(yīng)用實(shí)例，這里舉例一個(gè)。

Java的Runtime對(duì)象

在Java語(yǔ)言內(nèi)部，java.lang.Runtime對(duì)象就是一個(gè)使用單例模式的例子。在每一個(gè)Java應(yīng)用程序里面，都有唯一的一個(gè)Runtime對(duì)象，應(yīng)用程序可以與其運(yùn)行環(huán)境發(fā)生相互作用。
Runtime類提供一個(gè)靜態(tài)工廠方法getRuntime():

public static Runtime getRuntime();

通過(guò)調(diào)用此方法，可以獲得Runtime類唯一的一個(gè)實(shí)例：

Runtime rt=Runtime.getRuntime();

總結(jié)

單例模式作為一種目標(biāo)明確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、理解容易的設(shè)計(jì)模式，在軟件開發(fā)中使用頻率相當(dāng)高，在很多應(yīng)用軟件和框架中都得以廣泛應(yīng)用。

1.主要優(yōu)點(diǎn)
單例模式的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

• 單例模式提供了對(duì)唯一實(shí)例的受控訪問(wèn)。因?yàn)閱卫惙庋b了它的唯一實(shí)例，所以它可以嚴(yán)格控制客戶怎樣以及何時(shí)訪問(wèn)它。
• 由于在系統(tǒng)內(nèi)存中只存在一個(gè)對(duì)象，因此可以節(jié)約系統(tǒng)資源，對(duì)于一些需要頻繁創(chuàng)建和銷毀的對(duì)象單例模式無(wú)疑可以提高系統(tǒng)的性能。
• 允許可變數(shù)目的實(shí)例?；趩卫Ｊ轿覀兛梢赃M(jìn)行擴(kuò)展，使用與單例控制相似的方法來(lái)獲得指定個(gè)數(shù)的對(duì)象實(shí)例，既節(jié)省系統(tǒng)資源，又解決了單例單例對(duì)象共享過(guò)多有損性能的問(wèn)題。

2.主要缺點(diǎn)
單例模式的主要缺點(diǎn)如下：

• 由于單例模式中沒(méi)有抽象層，因此單例類的擴(kuò)展有很大的困難。
• 單例類的職責(zé)過(guò)重，在一定程度上違背了“單一職責(zé)原則”。因?yàn)閱卫惣瘸洚?dāng)了工廠角色，提供了工廠方法，同時(shí)又充當(dāng)了產(chǎn)品角色，包含一些業(yè)務(wù)方法，將產(chǎn)品的創(chuàng)建和產(chǎn)品的本身的功能融合到一起。
• 現(xiàn)在很多面向?qū)ο笳Z(yǔ)言(如Java、C#)的運(yùn)行環(huán)境都提供了自動(dòng)垃圾回收的技術(shù)，因此，如果實(shí)例化的共享對(duì)象長(zhǎng)時(shí)間不被利用，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為它是垃圾，會(huì)自動(dòng)銷毀并回收資源，下次利用時(shí)又將重新實(shí)例化，這將導(dǎo)致共享的單例對(duì)象狀態(tài)的丟失。

3.適用場(chǎng)景
在以下情況下可以考慮使用單例模式：

• 系統(tǒng)只需要一個(gè)實(shí)例對(duì)象，如系統(tǒng)要求提供一個(gè)唯一的序列號(hào)生成器或資源管理器，或者需要考慮資源消耗太大而只允許創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象。
• 客戶調(diào)用類的單個(gè)實(shí)例只允許使用一個(gè)公共訪問(wèn)點(diǎn)，除了該公共訪問(wèn)點(diǎn)，不能通過(guò)其他途徑訪問(wèn)該實(shí)例。

一直覺(jué)得自己寫的不是技術(shù)，而是情懷，一篇篇文章是自己這一路走來(lái)的痕跡。靠專業(yè)技能的成功是最具可復(fù)制性的，希望我的這條路能讓你少走彎路，希望我能幫你抹去知識(shí)的蒙塵，希望我能幫你理清知識(shí)的脈絡(luò)，希望未來(lái)技術(shù)之巔上有你也有我。