Java 基础(线程的应用:创建型设计模式-单例设计模式Singleton)

1.单例模式的定义

单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。

2.单例模式的特点　

1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

单例模式保证了全局对象的唯一性，比如系统启动读取配置文件就需要单例保证配置的一致性。

3.线程安全问题

一方面在获取单例的时候，要保证不能产生多个实例对象，后面会详细讲到八种实现方式；
另一方面，在使用单例对象的时候，要注意单例对象内的实例变量是会被多线程共享的，推荐使用无状态的对象，不会因为多个线程的交替调度而破坏自身状态导致线程安全问题，比如我们常用的VO，DTO等（局部变量是在用户栈中的，而且用户栈本身就是线程私有的内存区域，所以不存在线程安全问题）。

4.实现单例模式的八种方式

4.1饿汉式（静态常量）【可用】

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

/**
 * @author 民宿
 * @dscription 饿汉式（静态常量）【可用】
 */
public class Singleton1 {
    private static final Singleton1 INSTANCE = new Singleton1();

    private Singleton1() {
        
    }
    
    public static Singleton1 getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

4.2饿汉式（静态代码块）【可用】

这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

/**
 * @author 民宿
 * @dscription 饿汉式（静态代码块）【可用】
 */
public class Singleton2 {
    private static Singleton2 INSTANCEOF;

    static {
        INSTANCEOF = new Singleton2();
    }

    private Singleton2() {

    }

    public static Singleton2 getInstance() {
        return INSTANCEOF;
    }
}

4.3懒汉式（线程不安全）【不可用】

这种写法起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

/**
 * @author 民宿
 * @dscription 懒汉式（线程不安全）【不可用】
 */
public class Singleton3 {
    private static Singleton3 INSTANCE = null;

    private Singleton3() {
        
    }
    
    public static Singleton3 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new Singleton3();
        }
        
        return INSTANCE;
    }
}

4.4懒汉式（线程安全，同步方法）【不推荐用】

解决上面第三种实现方式的线程不安全问题，做个线程同步就可以了，于是就对getInstance()方法进行了线程同步。
缺点：效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低要改进。

/**
 * @author 民宿
 * @dscription 懒汉式（线程安全，同步方法）【不推荐用】
 */
public class Singleton4 {
    private static Singleton4 INTANCE = null;

    private Singleton4() {
        
    }

    public static synchronized Singleton4 getInstance() {
        if (INTANCE == null) {
            INTANCE = new Singleton4();
        }
        
        return INTANCE;
    }
}

4.5懒汉式（线程不安全，同步代码块）【不可用】

由于第四种实现方式同步效率太低，所以摒弃同步方法，改为同步产生实例化的的代码块。但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。

/**
 * @author 民宿
 * @dscription 懒汉式（线程不安全，同步代码块）【不可用】
 */
public class Singleton5 {
    private static Singleton5 INSTANCE;

    private Singleton5() {

    }

    public static Singleton5 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton5.class) {
                INSTANCE = new Singleton5();
            }
        }
        
        return INSTANCE;
    }
    
}

4.6双重检查【推荐使用】

Double-Check概念对于多线程开发者来说不会陌生，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)，直接return实例化对象。
优点：线程安全；延迟加载；效率较高。

/**
 * @author 民宿
 * @dscription 双重检查【推荐使用】
 */
public class Singleton6 {
    private static volatile Singleton6 INSTANCE;

    private Singleton6() {

    }

    public static Singleton6 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton6.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton6();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

4.7静态内部类【推荐使用】

这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要Singleton类被装载就会实例化，没有Lazy-Loading的作用，而静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。
类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
优点：避免了线程不安全，延迟加载，效率高。

/**
 * @author 民宿
 * @dscription 静态内部类（线程安全）【推荐使用】
 */
public class Singleton7 {
    private Singleton7() {
        
    }

    private static class Singleton7Instance {
        private static final Singleton7 INSTANCE = new Singleton7();
    }

    public static Singleton7 getInstance() {
        return Singleton7Instance.INSTANCE;
    }
}

4.8枚举【推荐使用】

借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。

/**
 * Author 民宿
 * Description 单例模式 枚举式 此种方式是线程最安全的
 */
public class SingletonEnum {
    private SingletonEnum() {

    }

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

    private enum Singleton {
        INSTANCE;
        private SingletonEnum instance = null;

        // JVM保证此方法绝对只调用一次
        Singleton() {
            instance = new SingletonEnum();
        }

        public SingletonEnum getInstance() {
            return instance;
        }
    }
}

5.单例模式的优点

系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。

6.单例模式的缺点

当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new，可能会给其他开发人员造成困扰，特别是看不到源码的时候。

7.单例模式的使用场景

• 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，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。