单例模式(Singleton Pattern)

定义

单例设计模式（Singleton Design Pattern），如果一个类只允许创建一个对象（或者叫实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，简称单例模式。
用途：

• 处理资源访问冲突
• 表示全局唯一类

要实现一个单例，关注的点有：

• 构造函数需要是 private 访问权限的，这样才能避免外部通过 new 创建实例；
• 考虑对象创建时的线程安全问题；
• 考虑是否支持延迟加载；
• 考虑 getInstance() 性能是否高（是否加锁）。

结构

主要角色

• 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。

  结构图

  

应用

ID生成器

饿汉式

public class IdGenerator { 
  private final AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

简单高效，但是不支持延迟加载。

懒汉式

public class IdGenerator { 
  private final AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static synchronized IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new IdGenerator();
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

延迟加载，但要加锁保证线程安全，并发度低。

双重检测

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) { // 使用双重检测提高并发效率
      synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
        if (instance == null) {
          instance = new IdGenerator();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

关于指令重排：
因为指令重排序，可能会导致 IdGenerator 对象被 new 出来，并且赋值给 instance 之后，还没来得及初始化（执行构造函数中的代码逻辑），就被另一个线程使用了。要解决这个问题，我们需要给 instance 成员变量加上 volatile 关键字，禁止指令重排序才行。实际上，只有很低版本的 Java 才会有这个问题。我们现在用的高版本的 Java 已经在 JDK 内部实现中解决了这个问题（解决的方法很简单，只要把对象 new 操作和初始化操作设计为原子操作，就自然能禁止重排序）。

静态内部类

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private IdGenerator() {}
  private static class SingletonHolder{
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
  }
  /**
  * 只有当调用 getInstance() 方法时，SingletonHolder 才会被加载，
  * 这个时候才会创建 instance。instance 的唯一性、创建过程的线程安全性，都由 JVM 来保证。
  */
  public static IdGenerator getInstance() {
    return SingletonHolder.instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

利用 Java 的静态内部类来实现单例。这种实现方式，既支持延迟加载，也支持高并发，实现起来也比双重检测简单。

枚举

public enum IdGenerator {
  INSTANCE;
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

在spring中的应用

environment,systemProperties,systemEnvironment,单例bean(容器范围)

优点

减少了内存的开销

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。

全局访问点

单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。

缺点

单例对 OOP 特性的支持不友好

一旦选择将某个类设计成到单例类，也就意味着放弃了继承和多态这两个强有力的面向对象特性，也就相当于损失了可以应对未来需求变化的扩展性。

单例会隐藏类之间的依赖关系

通过构造函数、参数传递等方式声明的类之间的依赖关系，我们通过查看函数的定义，就能很容易识别出来。但是，单例类不需要显示创建、不需要依赖参数传递，在函数中直接调用就可以了。如果代码比较复杂，这种调用关系就会非常隐蔽。在阅读代码的时候，我们就需要仔细查看每个函数的代码实现，才能知道这个类到底依赖了哪些单例类。

单例对代码的扩展性不友好

单例可能会随需求变化需要多个实例

单例不支持有参数的构造函数

解决办法：

• 提供init()，在getInstance()前调用
• getInstance时传入（蛋疼）
• 将参数放到另外的全局变量，或从配置文件读取（推荐）

扩展

单例模式的一种优化

// 类似依赖注入
public demofunction(IdGenerator idGenerator) {
  long id = idGenerator.getId();
}
// 外部调用demofunction()的时候，传入idGenerator
IdGenerator idGenerator = IdGenerator.getInsance();
demofunction(idGenerator);

可以解决单例隐藏类之间依赖关系的问题。不过，对于单例存在的其他问题，比如对 OOP 特性、扩展性、可测性不友好等问题，还是无法解决。

单例模式的替代方案

• 工厂模式
• IOC容器

单例的唯一性

进程唯一

即普通的单例模式，对于 Java 语言来说，单例类对象的唯一性的作用范围并非进程，而是类加载器（Class Loader）

线程唯一的单例

public class IdGenerator {
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static final ConcurrentHashMap<Long, IdGenerator> instances
          = new ConcurrentHashMap<>();
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    Long currentThreadId = Thread.currentThread().getId();
    instances.putIfAbsent(currentThreadId, new IdGenerator());
    return instances.get(currentThreadId);
  }
  public long getId() {
    return id.incrementAndGet();
  }
}

ThreadLocal原理类似，使用的是ThreadLocalMap来实现

集群唯一的单例

将单例对象序列化并存储到外部共享存储区（比如文件）。进程在使用这个单例对象的时候，需要先从外部共享存储区中将它读取到内存，并反序列化成对象，然后再使用，使用完成之后还需要再存储回外部共享存储区。为了保证任何时刻，在进程间都只有一份对象存在，一个进程在获取到对象之后，需要对对象加锁，避免其他进程再将其获取。在进程使用完这个对象之后，还需要显式地将对象从内存中删除，并且释放对对象的加锁。

public class IdGenerator {
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private static SharedObjectStorage storage = FileSharedObjectStorage(/*入参省略，比如文件地址*/);
  private static DistributedLock lock = new DistributedLock();

  private IdGenerator() {}

  public synchronized static IdGenerator getInstance() 
    if (instance == null) {
      lock.lock();
      instance = storage.load(IdGenerator.class);
    }
    return instance;
  }

  public synchroinzed void freeInstance() {
    storage.save(this, IdGeneator.class);
    instance = null; //释放对象
    lock.unlock();
  }

  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

// IdGenerator使用举例
IdGenerator idGeneator = IdGenerator.getInstance();
long id = idGenerator.getId();
IdGenerator.freeInstance();

多例模式

按数量

public class BackendServer {
  private long serverNo;
  private String serverAddress;

  private static final int SERVER_COUNT = 3;
  private static final Map<Long, BackendServer> serverInstances = new HashMap<>();

  static {
    serverInstances.put(1L, new BackendServer(1L, "192.134.22.138:8080"));
    serverInstances.put(2L, new BackendServer(2L, "192.134.22.139:8080"));
    serverInstances.put(3L, new BackendServer(3L, "192.134.22.140:8080"));
  }

  private BackendServer(long serverNo, String serverAddress) {
    this.serverNo = serverNo;
    this.serverAddress = serverAddress;
  }

  public BackendServer getInstance(long serverNo) {
    return serverInstances.get(serverNo);
  }

  public BackendServer getRandomInstance() {
    Random r = new Random();
    int no = r.nextInt(SERVER_COUNT)+1;
    return serverInstances.get(no);
  }
}

按类型

public class Logger {
  private static final ConcurrentHashMap<String, Logger> instances
          = new ConcurrentHashMap<>();

  private Logger() {}

  public static Logger getInstance(String loggerName) {
    instances.putIfAbsent(loggerName, new Logger());
    return instances.get(loggerName);
  }

  public void log() {
    //...
  }
}

//l1==l2, l1!=l3
Logger l1 = Logger.getInstance("User.class");
Logger l2 = Logger.getInstance("User.class");
Logger l3 = Logger.getInstance("Order.class");