Java设计模式之一——单例模式
一、单例模式概念
java中单例模式是一种常见的设计模式，单例模式的写法有好几种，这里主要介绍三种：懒汉式单例、饿汉式单例、登记式单例。
单例模式有以下特点：
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。
二、懒汉式单例
（1）非线程安全
//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己 public class Singleton { //1.提供静态访问实例 private static Singleton single=null; //2.必须私有化构造方法，防止外部实例化 private Singleton() { } //3.提供全局访问点 public static Singleton getInstance() { if (single == null) { single = new Singleton(); } return single; } }
但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，有以下三种方式，都是对getInstance这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全，如果你第一次接触单例模式，对线程安全不是很了解，可以先跳过下面这三小条，去看饿汉式单例，等看完后面再回头考虑线程安全的问题：
（2）线程安全
1）在getInstance方法上加同步锁
//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己 public class Singleton { //1.提供静态访问实例 private static Singleton singleton=null; //2.必须私有化构造方法，防止外部实例化 private Singleton() { } //3.提供全局访问点 public static synchronized Singleton getInstance() { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } return singleton; } }
2）双重检查锁定
为处理原版非延迟加载方式瓶颈问题，我们需要对singleton instance 进行第二次检查，目的是避开过多的同步（因为这里的同步只需在第一次创建实例时才同步，一旦创建成功，以后获取实例时就不需要同获取锁了），但在Java中行不通，因为同步块外面的if (instance == null)可能看到已存在，但不完整的实例。
JDK5.0以后版本若singleton instance为volatile则可行：
//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己 public class Singleton { //1.提供静态访问实例 private static volatile Singleton singleton=null; //必须增加volatile关键字才能让线程同步 //2.必须私有化构造方法，防止外部实例化 private Singleton() { } //3.提供全局访问点 public static Singleton getInstance() { if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }
双重检测锁定失败的问题并不归咎于 JVM 中的实现 bug，而是归咎于 Java 平台内存模型。内存模型允许所谓的“无序写入”，这也是失败的一个主要原因。
3）静态内部类
public class Singleton { private static class LazyHolder { //成员声明是私有，外部类都可以访问 private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); } private Singleton (){ } public static final Singleton getInstance() { return LazyHolder.INSTANCE; } }
这种比上面1）、2）都好一些，既实现了线程安全，又避免了同步带来的性能影响。
4）使用ThreadLocal修复双重检测
借助于ThreadLocal，将临界资源（需要同步的资源）线程局部化，具体到本例就是将双重检测的第一层检测条件 if (instance == null) 转换为了线程局部范围内来作。这里的ThreadLocal也只是用作标示而已，用来标示每个线程是否已访问过，如果访问过，则不再需要走同步块，这样就提高了一定的效率。但是ThreadLocal在1.4以前的版本都较慢，但这与volatile相比却是安全的。
public class Singleton { private static final ThreadLocal perThreadInstance = new ThreadLocal(); private static Singleton singleton ; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (perThreadInstance.get() == null){ // 每个线程第一次都会调用 createInstance(); } return singleton; } private static final void createInstance() { synchronized (Singleton.class) { if (singleton == null){ singleton = new Singleton(); } } perThreadInstance.set(perThreadInstance); } }
三、饿汉式单例
线程安全的
//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化 public class Singleton { private static final Singleton single = new Singleton(); private Singleton() { } //静态工厂方法 public static Singleton1 getInstance() { return single; } }
饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。但会引发内存泄露问题。
四、登记式单例(可忽略)
//类似Spring里面的方法，将类名注册，下次从里面直接获取。 public class Singleton3 { private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>(); static{ Singleton3 single = new Singleton3(); map.put(single.getClass().getName(), single); } //保护的默认构造子 protected Singleton3(){} //静态工厂方法,返还此类惟一的实例 public static Singleton3 getInstance(String name) { if(name == null) { name = Singleton3.class.getName(); System.out.println("name == null"+"--->name="+name); } if(map.get(name) == null) { try { map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance()); } catch (InstantiationException e) { e.printStackTrace(); } catch (IllegalAccessException e) { e.printStackTrace(); } catch (ClassNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } } return map.get(name); } //一个示意性的商业方法 public String about() { return "Hello, I am RegSingleton."; } public static void main(String[] args) { Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null); System.out.println(single3.about()); } }
登记式单例实际上维护了一组单例类的实例，将这些实例存放在一个Map（登记薄）中，对于已经登记过的实例，则从Map直接返回，对于没有登记的，则先登记，然后返回。
这里我对登记式单例标记了可忽略，我的理解来说，首先它用的比较少，另外其实内部实现还是用的饿汉式单例，因为其中的static方法块，它的单例在类被装载的时候就被实例化了。
五、饿汉式和懒汉式区别
（1）从名字上来说，饿汉和懒汉
饿汉就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了，
而懒汉比较懒，只有当调用getInstance的时候，才回去初始化这个单例。
（2）另外从以下两点再区分以下这两种方式
1、线程安全：
饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，
懒汉式本身是非线程安全的，为了实现线程安全有几种写法，分别是上面的1）、2）、3）、4），这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。
2、资源加载和性能：
饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成，
而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。
至于1）、2）、3）、4）这三种实现又有些区别，
第1种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟99%的情况下是不需要同步的，
第2种，在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗
第3种，利用了classloader的机制来保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，所以一般我倾向于使用这一种。
第4种，利用了ThreadLocal的机制来初始化instance，做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗，但是ThreadLocal在1.4以前的版本都较慢，但这与volatile相比却是安全的。
六、全局变量和单例模式的区别
首先，全局变量就是对一个对象的静态引用，全局变量确实可以提供单例模式实现的全局访问这个功能。但是，它并不能保证应用程序中只有一个实例。
同时，在编码规范中，也明确指出，应该要少用全局变量，因为过多的使用全局变量，会造成代码难读。
还有就是全局变量并不能实现继承（虽然单例模式在继承上也不能很好的处理，但是还是可以实现继承的）而单例模式的话，其在类中保存了它的唯一实例，这个类，它可以保证只能创建一个实例，同时，它还提供了一个访问该唯一实例的全局访问点。
七、单例模式的优与劣
（1）主要优点
1、提供了对唯一实例的受控访问。
2、由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能。
3、允许可变数目的实例。
（2）主要缺点
1、由于单利模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
2、单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。
3、滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为是垃圾而被回收，这将导致对象状态的丢失。
