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）

什么是设计模式

在软件工程中，设计模式是对软件设计中普遍存在的各种问题，所提出的 解决方案。

换句话说，设计模式是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计的 经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码，让代码更容易被他人理解，保证代码可靠性。


设计模式原则

1、开闭原则（Open Close Principle）

开闭原则的意思是：对扩展开放，对修改封闭。在程序需要进行扩展的时候，不能去修改或影响原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是为了使程序的扩展性更好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类。


2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。里氏代换原则是继承复用的基石，只有当子类可以替换掉基类，且软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而且子类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对开闭原则的补充。实现开闭原则的关键步骤就是抽象化，而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。


3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）

这个原则是开闭原则的基础，核心内容：针对接口编程，高层模块不应该依赖底层模块，二者都应该依赖抽象而不依赖于具体。


4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）

这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个庞大的接口要好。其目的在于降低耦合度。由此可见，其实设计模式就是从大型软件架构出发，便于升级和维护软件的设计思想。它强调低依赖、低耦合。


5、单一职责原则（Single Responsibility Principle）

类的职责要单一，不能将太多的职责放在一个类中。

可能有的人会觉得单一职责原则和前面的接口隔离原则很相似，其实不然。其一，单一职责原则注重的是职责；而接口隔离原则注重对接口依赖的隔离。其二，单一职责原则主要约束的是类，其次才是接口和方法，它针对的是程序中的实现和细节；而接口隔离原则主要约束接口，主要针对抽象，针对程序整体框架的构建。


6、最少知道原则（Demeter Principle）

最少知道原则也叫迪米特法则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。

一个对象应该对其他对象保持最少的了解。类与类之间的关系越密切，耦合度越大，当一个类发生改变时，对另一个类的影响也越大。如果两个类不必彼此直接通信，那么这两个类就不应当发生直接的相互作用。如果其中一个类需要调用另一个类的某一个方法的话，可以通过第三者转发这个调用。所以在类的设计上，每一个类都应当尽量降低成员的访问权限。


7、合成复用原则（Composite Reuse Principle）

合成复用原则就是在一个新的对象里通过关联关系（组合关系、聚合关系）来使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部分；新对象通过委派调用已有对象的方法达到复用功能的目的。简而言之，尽量多使用 组合/聚合 的方式，尽量少使用甚至不使用继承关系。


设计模式分类

通常来说设计模式分为三大类：

创建型模式，共5种：工厂模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。

结构型模式，共7种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式，共11种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。


下面用图片来整体描述一下设计模式之间的关系：

1 接口的好处是可以单独实现自定义方法，继承可以达到总控的效果，当子类差异性很小建议用继承，子类差异性很大用接口

2 设计原则：
(1) 找出应用中可能需要变化的代码独立出来，不要和不需要变化的代码混在一起。

  (2) 针对接口编程，而不是针对实现编程。
(3) 多用组合，少用继承。
(4) 为了交互对象的松耦合设计而努力。
(5) 对扩展开放，对修改关闭。
(6) 依赖抽象，不要依赖具体类。
(7) 最少只是原则，只和你的密友谈话。
(8) 好莱坞原则，别调用我们，我们会调用你。
(9) 类应该只有一个改变的理由。

3 良好的OO设计必须具备可复用、可维护、可扩充3个特性。





策略模式（鸭子）

观察者模式（气象局）

装饰者模式（咖啡）

工厂模式， 包括工厂方法模式和抽象工厂模式（pizza）

单件模式

命令模式（家具遥控器）

适配器与外观模式（鸭子和鹅， 电影院的操作流程）

模板模式（泡咖啡喝泡茶的过程，共同特性在abstract类中实现，不同点用接口实现）

迭代器和组合模式

状态模式（糖果机器）

代理模式

复合模式（即多个模式组合）

 在面向对象编程中, 最通常的方法是一个new操作符产生一个对象实例,new操作符就是用来构造对象实例的。但是在一些情况下, new操作符直接生成对象会带来一些问题。举例来说, 许多类型对象的创造需要一系列的步骤: 你可能需要计算或取得对象的初始设置; 选择生成哪个子对象实例; 或在生成你需要的对象之前必须先生成一些辅助功能的对象。 在这些情况,新对象的建立就是一个 “过程”，不仅是一个操作，像一部大机器中的一个齿轮传动。

 

模式的问题：你如何能轻松方便地构造对象实例，而不必关心构造对象实例的细节和复杂过程呢？

解决方案：建立一个工厂来创建对象

实现：

一、引言

    1）还没有工厂时代：假如还没有工业革命，如果一个客户要一款宝马车,一般的做法是客户去创建一款宝马车，然后拿来用。

    2）简单工厂模式：后来出现工业革命。用户不用去创建宝马车。因为客户有一个工厂来帮他创建宝马.想要什么车，这个工厂就可以建。比如想要320i系列车。工厂就创建这个系列的车。即工厂可以创建产品。

    3）工厂方法模式时代：为了满足客户，宝马车系列越来越多，如320i，523i,30li等系列一个工厂无法创建所有的宝马系列。于是由单独分出来多个具体的工厂。每个具体工厂创建一种系列。即具体工厂类只能创建一个具体产品。但是宝马工厂还是个抽象。你需要指定某个具体的工厂才能生产车出来。

   4）抽象工厂模式时代：随着客户的要求越来越高，宝马车必须配置空调。于是这个工厂开始生产宝马车和需要的空调。

   最终是客户只要对宝马的销售员说：我要523i空调车，销售员就直接给他523i空调车了。而不用自己去创建523i空调车宝马车.

   这就是工厂模式。

二、分类 

        工厂模式主要是为创建对象提供过渡接口，以便将创建对象的具体过程屏蔽隔离起来，达到提高灵活性的目的。 

工厂模式可以分为三类： 

1）简单工厂模式（Simple Factory） 

2）工厂方法模式（Factory Method） 

3）抽象工厂模式（Abstract Factory） 

 这三种模式从上到下逐步抽象，并且更具一般性。 

        GOF在《设计模式》一书中将工厂模式分为两类：工厂方法模式（Factory Method）与抽象工厂模式（Abstract Factory）。

        将简单工厂模式（Simple Factory）看为工厂方法模式的一种特例，两者归为一类。 

三、区别 

工厂方法模式：

一个抽象产品类，可以派生出多个具体产品类。   

一个抽象工厂类，可以派生出多个具体工厂类。   

每个具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例。

抽象工厂模式：

多个抽象产品类，每个抽象产品类可以派生出多个具体产品类。   

一个抽象工厂类，可以派生出多个具体工厂类。   

每个具体工厂类可以创建多个具体产品类的实例。   

区别：

工厂方法模式只有一个抽象产品类，而抽象工厂模式有多个。   

工厂方法模式的具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例，而抽象工厂模式可以创建多个。

两者皆可。 

 四、简单工厂模式 

建立一个工厂（一个函数或一个类方法）来制造新的对象。

分布说明引子：从无到有。客户自己创建宝马车，然后拿来用。

 

 

public class BMW320 {
	public BMW320(){
		System.out.println("制造-->BMW320");
	}
}

public class BMW523 {
	public BMW523(){
		System.out.println("制造-->BMW523");
	}
}

public class Customer {
	public static void main(String[] args) {
		BMW320 bmw320 = new BMW320();
		BMW523 bmw523 = new BMW523();
	}
}


客户需要知道怎么去创建一款车,客户和车就紧密耦合在一起了.为了降低耦合,就出现了工厂类,把创建宝马的操作细节都放到了工厂里面去,客户直接使用工厂的创建工厂方法,传入想要的宝马车型号就行了,而不必去知道创建的细节.这就是工业革命了：简单工厂模式

即我们建立一个工厂类方法来制造新的对象。如图：



产品类：

abstract class BMW {
	public BMW(){
		
	}
}

public class BMW320 extends BMW {
	public BMW320() {
		System.out.println("制造-->BMW320");
	}
}
public class BMW523 extends BMW{
	public BMW523(){
		System.out.println("制造-->BMW523");
	}
}


工厂类：

public class Factory {
	public BMW createBMW(int type) {
		switch (type) {
		
		case 320:
			return new BMW320();

		case 523:
			return new BMW523();

		default:
			break;
		}
		return null;
	}
}



客户类：

public class Customer {
	public static void main(String[] args) {
		Factory factory = new Factory();
		BMW bmw320 = factory.createBMW(320);
		BMW bmw523 = factory.createBMW(523);
	}
}


   简单工厂模式又称静态工厂方法模式。重命名上就可以看出这个模式一定很简单。它存在的目的很简单：定义一个用于创建对象的接口。 

      先来看看它的组成： 

         1) 工厂类角色：这是本模式的核心，含有一定的商业逻辑和判断逻辑，用来创建产品

         2) 抽象产品角色：它一般是具体产品继承的父类或者实现的接口。         

         3) 具体产品角色：工厂类所创建的对象就是此角色的实例。在java中由一个具体类实现。 

        

        下面我们从开闭原则（对扩展开放；对修改封闭）上来分析下简单工厂模式。当客户不再满足现有的车型号的时候，想要一种速度快的新型车，只要这种车符合抽象产品制定的合同，那么只要通知工厂类知道就可以被客户使用了。所以对产品部分来说，它是符合开闭原则的；但是工厂部分好像不太理想，因为每增加一种新型车，都要在工厂类中增加相应的创建业务逻辑（createBMW(int type)方法需要新增case），这显然是违背开闭原则的。可想而知对于新产品的加入，工厂类是很被动的。对于这样的工厂类，我们称它为全能类或者上帝类。 

        我们举的例子是最简单的情况，而在实际应用中，很可能产品是一个多层次的树状结构。由于简单工厂模式中只有一个工厂类来对应这些产品，所以这可能会把我们的上帝累坏了，也累坏了我们这些程序员。

        于是工厂方法模式作为救世主出现了。 工厂类定义成了接口,而每新增的车种类型,就增加该车种类型对应工厂类的实现,这样工厂的设计就可以扩展了,而不必去修改原来的代码。
五、工厂方法模式 

        工厂方法模式去掉了简单工厂模式中工厂方法的静态属性，使得它可以被子类继承。这样在简单工厂模式里集中在工厂方法上的压力可以由工厂方法模式里不同的工厂子类来分担。 

工厂方法模式组成： 

       1)抽象工厂角色： 这是工厂方法模式的核心，它与应用程序无关。是具体工厂角色必须实现的接口或者必须继承的父类。在java中它由抽象类或者接口来实现。 

       2)具体工厂角色：它含有和具体业务逻辑有关的代码。由应用程序调用以创建对应的具体产品的对象。 

       3)抽象产品角色：它是具体产品继承的父类或者是实现的接口。在java中一般有抽象类或者接口来实现。 

       4)具体产品角色：具体工厂角色所创建的对象就是此角色的实例。在java中由具体的类来实现。 

       工厂方法模式使用继承自抽象工厂角色的多个子类来代替简单工厂模式中的“上帝类”。正如上面所说，这样便分担了对象承受的压力；而且这样使得结构变得灵活 起来——当有新的产品产生时，只要按照抽象产品角色、抽象工厂角色提供的合同来生成，那么就可以被客户使用，而不必去修改任何已有 的代码。可以看出工厂角色的结构也是符合开闭原则的！ 

代码如下： 

产品类：

abstract class BMW {
	public BMW(){
		
	}
}
public class BMW320 extends BMW {
	public BMW320() {
		System.out.println("制造-->BMW320");
	}
}
public class BMW523 extends BMW{
	public BMW523(){
		System.out.println("制造-->BMW523");
	}
}



创建工厂类：

interface FactoryBMW {
	BMW createBMW();
}

public class FactoryBMW320 implements FactoryBMW{

	@Override
	public BMW320 createBMW() {

		return new BMW320();
	}

}
public class FactoryBMW523 implements FactoryBMW {
	@Override
	public BMW523 createBMW() {

		return new BMW523();
	}
}




客户类：

public class Customer {
	public static void main(String[] args) {
		FactoryBMW320 factoryBMW320 = new FactoryBMW320();
		BMW320 bmw320 = factoryBMW320.createBMW();

		FactoryBMW523 factoryBMW523 = new FactoryBMW523();
		BMW523 bmw523 = factoryBMW523.createBMW();
	}
}



 工厂方法模式仿佛已经很完美的对对象的创建进行了包装，使得客户程序中仅仅处理抽象产品角色提供的接口，但使得对象的数量成倍增长。当产品种类非常多时，会出现大量的与之对应的工厂对象，这不是我们所希望的。

参考http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7505909

 

以上就是简单工厂模式，工厂方法模式，抽象工厂模式在这里。

 

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）