在有些系统中，为了节省内存资源、保证数据内容的一致性，对某些类要求只能创建一个实例，这就是所谓的单例模式。

单例模式的定义与特点

单例（Singleton）模式的定义：指一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例的一种模式。例如，Windows 中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费，或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。

在计算机系统中，还有 Windows 的回收站、操作系统中的文件系统、多线程中的线程池、显卡的驱动程序对象、打印机的后台处理服务、应用程序的日志对象、数据库的连接池、网站的计数器、Web 应用的配置对象、应用程序中的对话框、系统中的缓存等常常被设计成单例。

单例模式在现实生活中的应用也非常广泛，例如公司 CEO、部门经理等都属于单例模型。J2EE 标准中的 ServletContext 和 ServletContextConfig、Spring 框架应用中的 ApplicationContext、数据库中的连接池等也都是单例模式。

单例模式有 3 个特点：

  1. 单例类只有一个实例对象；
  2. 该单例对象必须由单例类自行创建；
  3. 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。

    单例模式的优点和缺点

    单例模式的优点：
  • 单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销。
  • 可以避免对资源的多重占用。
  • 单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。


单例模式的缺点：

  • 单例模式一般没有接口，扩展困难。如果要扩展，则除了修改原来的代码，没有第二种途径，违背开闭原则。
  • 在并发测试中，单例模式不利于代码调试。在调试过程中，如果单例中的代码没有执行完，也不能模拟生成一个新的对象。

  • 单例模式的功能代码通常写在一个类中，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则。

    单例模式的应用场景

    对于 Java 来说，单例模式可以保证在一个 JVM 中只存在单一实例。单例模式的应用场景主要有以下几个方面。

  • 需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力，减少 GC。

  • 某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
  • 某些类创建实例时占用资源较多，或实例化耗时较长，且经常使用。
  • 某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。
  • 频繁访问数据库或文件的对象。
  • 对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。
  • 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。

    单例模式的结构与实现

    单例模式是设计模式中最简单的模式之一。通常，普通类的构造函数是公有的，外部类可以通过“new 构造函数()”来生成多个实例。但是，如果将类的构造函数设为私有的，外部类就无法调用该构造函数，也就无法生成多个实例。这时该类自身必须定义一个静态私有实例，并向外提供一个静态的公有函数用于创建或获取该静态私有实例。

下面来分析其基本结构和实现方法。

1. 单例模式的结构

单例模式的主要角色如下。

  • 单例类：包含一个实例且能自行创建这个实例的类。
  • 访问类：使用单例的类。

image.png

2.单例模式的实现

  1. /**
  2.  * Copyright (c) 2016-2021 All Rights Reserved.
  3.  */
  4. package com.lm.designmode.singleton;
  6. import java.io.ObjectStreamException;
  7. import java.io.Serializable;
  9. /**
  10.  * 单例模式实现
  11.  *
  12.  * @author Liu.Liang yuan 15439
  13.  * @version $Id: SingletonMode.java, v 0.1 2021年09月20日 12:02 上午 liang mu Exp $$
  14.  */
  15. public class SingletonPattern {
  16.     public static void main(String[] args) {
  17.         new Thread(()-> {
  18.             Demo1 instance = Demo1.getInstance();
  19.             System.out.println("thread1: " + instance);
  20.         }).start();
  21.         new Thread(()-> {
  22.             Demo1 instance = Demo1.getInstance();
  23.             System.out.println("thread2: " + instance);
  24.         }).start();
  25.     }
  26. }
  28. /**
  29.  * 懒汉实现1——双重检查
  30.  */
  31. class Demo1{
  32.     private Demo1(){}
  34.     // volatile 可以屏蔽掉字节码层面的重排序;即对象分配必须严格按照其顺序：初始化、分配空间、指针赋值
  35.     private static volatile Demo1 instance;
  37.     public static Demo1 getInstance() {
  38.         if (instance == null) {
  39.             // 防止同一时间有多个线程拿到Demo锁
  40.             synchronized (Demo1.class) {
  41.                 // 防止已线程创建示例成功的情况下，二次创建实例
  42.                 if (instance == null) {
  43.                     instance = new Demo1();
  44.                     return instance;
  45.                 }
  46.             }
  47.         }
  48.         return instance;
  49.     }
  50. }
  53. /**
  54.  * 懒汉实现2——重量级锁
  55.  */
  56. class Demo2{
  57.     private Demo2(){}
  59.     // volatile 可以屏蔽掉字节码层面的重排序
  60.     private static Demo2 instance;
  62.     public static synchronized Demo2 getInstance() {
  63.         if (instance == null) {
  64.             instance = new Demo2();
  65.             return instance;
  66.         }
  67.         return instance;
  68.     }
  69. }
  71. /**
  72.  * 饿汉模式1——静态属性
  73.  */
  74. class Demo3{
  75.     private Demo3(){}
  76.     private static final Demo3 instance = new Demo3();
  78.     public static Demo3 getInstance() {
  79.         return instance;
  80.     }
  81. }
  83. /**
  84.  * 饿汉模式2——静态方法块
  85.  */
  86. class Demo4{
  87.     private Demo4(){}
  88.     private static Demo4 instance;
  90.     static {
  91.         Demo4.instance = new Demo4();
  92.     }
  94.     public static Demo4 getInstance() {
  95.         return instance;
  96.     }
  97. }
  99. /**
  100.  * 枚举单例
  101.  */
  102. enum Demo5{
  103.     INSTANCE,
  104.     ;
  105.     public Demo5 getInstance() {
  106.         return INSTANCE;
  107.     }
  108. }
  110. /**
  111.  * 需要实现序列化的单例需要实现object readResolve() throws ObjectStreamException方法
  112.  */
  113. class Demo6 implements Serializable {
  115.     private static final long serialVersionUID = -292339753888098534L;
  117.     private Demo6(){}
  118.     private static final Demo6 instance = new Demo6();
  120.     public static Demo6 getInstance() {
  121.         return instance;
  122.     }
  124.     /**
  125.      * 反序列化时，如果检测到有这个方法，则会直接调用此方法实现反序列化，而不是从字节流中提取数据，重新创建一个对象。
  126.      * 
  127.      * @return 执行readResolve，并返回结果
  128.      * @throws ObjectStreamException 对象流反序列化和序列化时可能抛出的异常
  129.      */
  130.     Demo6 readResolve() throws ObjectStreamException {
  131.         return instance;
  132.     }
  133. }