【设计模式】单例模式

一、概念

单例模式是设计模式中最为简单和为人熟知的一种设计模式，属于创建型模式的一种。

定义：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

UML图表示法：

Singleton

-uniquenstance:Singleton

-Singleton():void

+getInstance():Singletion

+operation():void

　　图1 单例模式结构图

单例模式具有以下几个特点：
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

二、示例代码

1、懒汉式：

package com.qunar.base.collection;

public class Singleton {
    /** 定义一个私有的静态变量来存储创建的实例 **/
    private static Singleton uniqueInstance = null;

    /** 私有化构造方法，防止外部类来创建此类的实例 **/
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 定义一个public的静态方法，向外界提供仅有的这个实例
     * 
     * @return
     */
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }

    /**
     * 实例方法，外界只能通过仅有的实例来调用此方法
     */
    public void operate() {

    }

}

2、饿汉式

package com.qunar.base.collection;

public class Singleton {
    /** 定义一个私有的静态变量来存储创建的实例,直接在声明变量时创建此实例 **/
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    /** 私有化构造方法，防止外部类来创建此类的实例 **/
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 定义一个public的静态方法，向外界提供仅有的这个实例
     * 
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance() {
        // 直接返回已经创建好的实例
        return uniqueInstance;
    }

    /**
     * 实例方法，外界只能通过仅有的实例来调用此方法
     */
    public void operate() {

    }

}

三、模式讲解

1、单例模式的优缺点

　　a、时间和空间

　　懒汉式是典型的时间换空间，而饿汉式是典型的空间换时间。

　　b、线程安全

　　不加同步的懒汉式是线程不安全的

　　饿汉式是线程安全的

2、双重检查加锁方式实现的单例模式

　　代码如下：

package com.qunar.base.collection;

public class Singleton {
    /** 对保存实例的变量添加volatile修饰 **/
    private volatile static Singleton uniqueInstance = null;

    /** 私有化构造方法，防止外部类来创建此类的实例 **/
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 定义一个public的静态方法，向外界提供仅有的这个实例
     * 
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance() {
        // 先检查实例是否存在，如果不存在，才会进入下面的同步块
        if (uniqueInstance == null) {
            // 同步快，线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                // 再次检查是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }

    /**
     * 实例方法，外界只能通过仅有的实例来调用此方法
     */
    public void operate() {

    }

}

在上面的代码中，如果没有对变量uniqueInstance添加volatile修饰，则可能会产生以下问题：

out-of-order write问题（详见 DoubleCheckedLocking）：

instance = new Singleton();  的顺序应该是

1 分配内存
2 构造函数初始化
3 将对象的reference赋值给instance

但因为Java Memory Model的问题，可能出现下面的所谓out-of-order write的问题：

1 分配内存
2 将对象的reference赋值给instance
3 构造函数初始化

也就是还没对对象初始化，就已经instance != null了，这样如果另外一个线程这时候对实例进行操作，可能有意想不到的结果。

四、单例模式的调用顺序示意图
        由于单例模式有两种实现方式，那么它的调用顺序也分成两种。先看懒汉式的调用顺序，如图2所示：


                        图2  懒汉式调用顺序示意图

饿汉式的调用顺序，如图3所示：


                               图3  饿汉式调用顺序示意图

五、应用场景

     在我们的应用中，有一个类AppConfig，用以读取配置文件中的配置信息，并在程序中需要配置信息时，被使用，由于配置信息是全局性的，因此在整个应用中，仅需要一个该类的实例，这样只需要读取一次配置文件，并且也会节省内存，避免不必要的内存浪费，此时就可以采用单例模式。