本文继续介绍23种设计模式系列之单例模式。

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。



一、懒汉式单例

 

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己 
public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static Singleton single=null;
    //静态工厂方法 
    public static Singleton getInstance() {
         if (single == null) {  
             single = new Singleton();
         }  
        return single;
    }
}

 

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。

（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。）

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：

 

1、在getInstance方法上加同步

 

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

 

 

 

2、双重检查锁定

 

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

 

3、静态内部类

 

public class Singleton {  
    private static class LazyHolder {  
       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。

 

 

 

 

 

 

二、饿汉式单例

 

//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化 
public class Singleton1 {
    private Singleton1() {}
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();
    //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。

 

 

 

 

三、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。

 

饿汉式和懒汉式区别

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。

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，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。

 

什么是线程安全？

如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作，或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题，那就是线程安全的。

 

应用

以下是一个单例类使用的例子，以懒汉式为例，这里为了保证线程安全，使用了双重检查锁定的方式：

 

public class TestSingleton {
	String name = null;

        private TestSingleton() {
	}

	private static volatile TestSingleton instance = null;

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

	public String getName() {
		return name;
	}

	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}

	public void printInfo() {
		System.out.println("the name is " + name);
	}

}

可以看到里面加了volatile关键字来声明单例对象，既然synchronized已经起到了多线程下原子性、有序性、可见性的作用，为什么还要加volatile呢，原因已经在下面评论中提到，

还有疑问可参考http://www.iteye.com/topic/652440

和http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

 

 

 

public class TMain {
	public static void main(String[] args){
		TestStream ts1 = TestSingleton.getInstance();
		ts1.setName("jason");
		TestStream ts2 = TestSingleton.getInstance();
		ts2.setName("0539");
		
		ts1.printInfo();
		ts2.printInfo();
		
		if(ts1 == ts2){
			System.out.println("创建的是同一个实例");
		}else{
			System.out.println("创建的不是同一个实例");
		}
	}
}


 运行结果：



结论：由结果可以得知单例模式为一个面向对象的应用程序提供了对象惟一的访问点，不管它实现何种功能，整个应用程序都会同享一个实例对象。

对于单例模式的几种实现方式，知道饿汉式和懒汉式的区别，线程安全，资源加载的时机，还有懒汉式为了实现线程安全的3种方式的细微差别。

更多设计模式：23种设计模式系列



作者：jason0539

博客：http://blog.csdn.net/jason0539（转载请说明出处）

                                            两种单例


   Java中有两种实现单例的模式，一种是饿汉式，一种是懒汉式。饿汉式是从一开始就创建单例对象，懒汉式是什么时候需要这个单例对象就去找这个单例对象，当发现没有时再创建。

1.饿汉式

饿汉式单例在类加载初始化时就创建好一个静态的对象供外部使用，除非系统重启，这个对象不会改变，所以本身就是线程安全的。
Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，

Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。（

事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。

此问题在此处不做讨论，姑且闭着眼就认为反射机制不存在。）
public class Ehan {
private static int in = 1;
private static Ehan ehan = new Ehan();

//私有的构造方法避免了new 出本对象，只能通过getInstance方法获得本对象
private Ehan(){
	
}
public static Ehan getInstance(){
	int in = 2;
	
	return ehan;
}
public static int getIn() {
	return in;
}
public static void setIn(int in) {
	Ehan.in = in;
}

}
2.懒汉式

该示例虽然用延迟加载方式实现了懒汉式单例，但在多线程环境下会产生多个single对象，如何改造请看以下方式: 使用synchronized同步锁

public class Lanhan {
private Lanhan() {

}

private static Lanhan lanhan = new Lanhan();

public Lanhan getInstance() {

	if (lanhan == null) {
		synchronized (Lanhan.class) {
			if (lanhan == null) {
				lanhan = new Lanhan();
			}
		}
	}
	return lanhan;

}

}
最后：

类的构造器为私有（private）的话是不能被继承的。

为什么要有单例模式

单例模式是一个类对外仅提供一个实例对象，防止出现对象的不一致状态，与多例对象是对立的



 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。



单例模式的有点


	
只有一个对象，内存开支少、性能好
	
	

	
避免对资源的多重占用
	
	

	
在系统设置全局访问点，优化和共享资源访问
	



单例的写法 



 饿汉模式

不管对象会不会被使用，都提前实例化 好对象，等待被使用

 1、是线程安全的

  2、因为在类文件加载之初就会实例化对象，如果最终该对象没有被使用到会造成一定程度的内存浪费(针对目前的服务器能力无伤大雅)



/**
 * @Description: <饿汉式>
 * @Author: milla
 * @CreateDate: 2020/09/18 10:33
 * @UpdateUser: milla
 * @UpdateDate: 2020/09/18 10:33
 * @UpdateRemark: <>
 * @Version: 1.0
 */
public class Singleton {

    /**
     * 内部实例化
     */
    private final static Singleton instance = new Singleton();

    /**
     * 私有化构造-阻止其他再次实例化该对象
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 对外提供获取对象的方式
     *
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}


 懒汉式

先声明出来对象，但是并不做实例化，当被调用的时候才会去实例化

1、线程不安全（可通过改版进行线程安全改造）

2、按需实例化，更符合节约资源的思想



/**
 * @Description: <懒汉式>
 * @Author: milla
 * @CreateDate: 2020/09/18 10:33
 * @UpdateUser: milla
 * @UpdateDate: 2020/09/18 10:33
 * @UpdateRemark: <>
 * @Version: 1.0
 */
public class SingletonLazy {

    /**
     * 内部实例化
     */
    private static SingletonLazy instance;

    /**
     * 私有化构造
     */
    private SingletonLazy() {
    }

    /**
     * 对外提供获取对象的方式
     *
     * @return
     */
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
}


 上述类，在多线程情况下很容易出现线程安全问题，如果对方法直接加同步锁(synchronized),是可以达到线程安全的目的，但是会大大降低程序执行的性能，因为获取对象的时候都会形成阻塞



 懒汉式改版-方法上加同步关键字

1、线程安全

2、但是因为线程会形成阻塞队列，因此会牺牲性能



/**
 * @Description: <懒汉式>
 * @Author: milla
 * @CreateDate: 2020/09/18 10:33
 * @UpdateUser: milla
 * @UpdateDate: 2020/09/18 10:33
 * @UpdateRemark: <>
 * @Version: 1.0
 */
public class SingletonLazy {

    /**
     * 内部实例化
     */
    private static SingletonLazy instance;

    /**
     * 私有化构造
     */
    private SingletonLazy() {
    }

    /**
     * 对外提供获取对象的方式
     *
     * @return
     */
    public static synchronized SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
}


饿汉式改版-双重加锁判空并防止指令重排 


 


/**
 * @Description: <懒汉式>
 * @Author: milla
 * @CreateDate: 2020/09/18 10:33
 * @UpdateUser: milla
 * @UpdateDate: 2020/09/18 10:33
 * @UpdateRemark: <>
 * @Version: 1.0
 */
public class SingletonLazy {

    /**
     * 内部实例化
     */
    private static volatile SingletonLazy instance;

    /**
     * 私有化构造
     */
    private SingletonLazy() {
    }

    /**
     * 对外提供获取对象的方式
     *
     * @return
     */
    public static SingletonLazy getInstance() {
        //如果对象已经被实例化就不用阻塞
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                //防止多个线程都判断实例对象为空，然后形成阻塞队列，重复实例对象
                if (instance == null) {
//                    JVM新建对象的时候，会经过三个步骤
//                    1.分配内存
//                    2.初始化构造器
//                    3.将对象指向分配的内存的地址
//                    PS:2和3可能会出现指令重排，导致重复创建对象，因此对象要要使用volatile关键字组织JVM指令重排
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}


静态内部类 

1、线程安全

2、静态变量只会加载一次，在初始化时JVM会强行保证同步，所以能保证实例是单例且是线程安全的



/**
 * @Description: <静态内部类>
 * @Author: milla
 * @CreateDate: 2020/09/18 11:12
 * @UpdateUser: milla
 * @UpdateDate: 2020/09/18 11:12
 * @UpdateRemark: <>
 * @Version: 1.0
 */
public class Singleton {
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInner.instance;
    }

    /**
     * 私有化
     */
    private Singleton() {
    }

    /**
     * 静态内部类
     * 静态变量只会加载一次，在初始化时JVM会强行保证同步，所以能保证实例是单例且是线程安全的
     */
    private static class SingletonInner {
        /**
         * 内部实例化
         */
        protected final static Singleton instance = new Singleton();
    }
}


枚举模式 



/**
 * @Description: <枚举>
 * @Author: milla
 * @CreateDate: 2020/09/18 11:24
 * @UpdateUser: milla
 * @UpdateDate: 2020/09/18 11:24
 * @UpdateRemark: <>
 * @Version: 1.0
 */
public enum Singleton {
    /**
    * 实例对象
    */
    SINGLETON;

    /**
     * 实例要执行的方法
     */
    public void doSomething() {
        //业务逻辑在枚举类中
    }
}



单例模式实现案例 

用于用户登录表单用户名和密码及登录之后token的本地线程存储



/**
 * @Description: <单例存储用户登录前后信息>
 * @Author: milla
 * @CreateDate: 2020/09/11 17:48
 * @UpdateUser: milla
 * @UpdateDate: 2020/09/11 17:48
 * @UpdateRemark: <>
 * @Version: 1.0
 */
public enum AuthenticationStoreUtil {
    AUTHENTICATION;
    /**
     * 登录认证之后的token(每个请求都要验证token是否非法)
     */
    private final ThreadLocal<String> tokenStore = new ThreadLocal<>();
    /**
     * 登录时需要验证用户名
     */
    private final ThreadLocal<String> usernameStore = new ThreadLocal<>();
    /**
     * 登录时需要验证的密码
     */
    private final ThreadLocal<String> passwordStore = new ThreadLocal<>();

    public static String getUsername() {
        return AUTHENTICATION.usernameStore.get();
    }

    public static void setUsername(String username) {
        AUTHENTICATION.usernameStore.set(username);
    }

    public static String getPassword() {
        return AUTHENTICATION.passwordStore.get();
    }

    public static void setPassword(String password) {
        AUTHENTICATION.passwordStore.set(password);
    }

    public static String getToken() {
        return AUTHENTICATION.tokenStore.get();
    }

    public static void setToken(String token) {
        AUTHENTICATION.tokenStore.set(token);
    }

    /**
     * 清除所有登录信息
     */
    public static void clear() {
        AUTHENTICATION.tokenStore.remove();
        AUTHENTICATION.passwordStore.remove();
        AUTHENTICATION.usernameStore.remove();
    }
}



  PS ： 从代码量上看，最好用的应该是枚举和静态内部类，并发系统中需要考虑线程的安全问题

设计模式（Design pattern），提供了在软件开发过程中面临的一些问题的最佳解决方案，是Java开发者必修的一门课程。主要分创建型模式、结构型模式和行为型模式。其中接下来我们要写的是单例模式，属于创建型模式。



单例模式，顾名思义就是只有一个实例，并且她自己负责创建自己的对象，这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。下面我们来看下有哪几种实现方式吧。

核心代码：构造方法私有化，private。

1、懒汉式



懒汉式，顾名思义就是实例在用到的时候才去创建，“比较懒”，用的时候才去检查有没有实例，如果有则返回，没有则新建。有线程安全和线程不安全两种写法，区别就是synchronized关键字。

2、饿汉式



饿汉式，从名字上也很好理解，就是“比较勤”，实例在初始化的时候就已经建好了，不管你有没有用到，都先建好了再说。好处是没有线程安全的问题，坏处是浪费内存空间。

3、双检锁



双检锁，又叫双重校验锁，综合了懒汉式和饿汉式两者的优缺点整合而成。看上面代码实现中，特点是在synchronized关键字内外都加了一层 if 条件判断，这样既保证了线程安全，又比直接上锁提高了执行效率，还节省了内存空间。

4、静态内部类



静态内部类的方式效果类似双检锁，但实现更简单。但这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

5、枚举



枚举的方式是比较少见的一种实现方式，但是看上面的代码实现，却更简洁清晰。并且她还自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。

好了，上面就是单例模式的五种主要写法。我们来总结下，一般情况下，懒汉式（包含线程安全和线程不安全梁总方式）都比较少用；饿汉式和双检锁都可以使用，可根据具体情况自主选择；在要明确实现 lazy loading 效果时，可以考虑静态内部类的实现方式；若涉及到反序列化创建对象时，大家也可以尝试使用枚举方式。