设计模式之单例模式

单例模式定义

单例模式（Singleton Pattern）是指在程序运行期间，保证某个类仅实例化一个或有限个对象。如果某个类的创建和销毁成本很大，或者需要减少对某种资源的占用时，便可以使用单例模式。例如频繁通信的客户端和服务器之间，建立和销毁连接的成本是很大的，对整个程序的性能影响也是严重的。在这种情况下，应当确保整个运行期间仅建立一次连接，也就是仅实例化一次。

单例模式的几种实现

实现单例模式应当注意以下几点：

要确保全局仅有一个实例。
单例类自己实例化自己，对外屏蔽实例化方法。
确保所有使用者均得到同一个实例。

第一种实现：

public class Singleton {
    // 确保全局仅有一个实例
    private static Singleton instance;

    // 对外屏蔽构造函数，避免外部实例化，确保自己创建自己
    private Singleton() {}

    // 确保使用者均得到一个实例
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

测试：

public static void main(String[] args) {
    Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
    Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
    System.out.println(singleton1);
    System.out.println(singleton2);
}

结果：

Singleton@1b6d3586
Singleton@1b6d3586

可以看到，我们的singleton1和singleton2均访问的同一个对象。

但以上代码存在一个隐患。假设单例类的实例化过程是一个耗时的操作，并且我们在处于一个多线程的环境中。那么当一个线程等待对象实例化时，另一个线程同样进入了临界区，这便使得对象被重复实例化了。而我们只希望单例类只在第一次访问时被实例化。因此，对多线程环境下的单例模式需要进一步的修改。

第二种实现：

public class Singleton {
    // 确保全局仅有一个实例
    private volatile static Singleton instance;

    // 对外屏蔽构造函数，避免外部实例化，确保自己创建自己
    private Singleton() {}

    // 确保使用者均得到一个实例
    public static Singleton getInstance() {
        // 确保某一时刻仅一个线程进入，只有第一个线程会实例化对象
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

相比第一种实现，第二种实现解决了重复实例化对象的问题。但值得注意的是，当我们使用多线程时，往往是为了追求更好的性能。因此，对于多线程锁的使用应当谨慎。第二种实现中，虽然解决重复实例化的问题，却引出了新的问题，即完成实例化对象后，所有线程仍然会互斥访问。因此，需要对实现进一步修改，确保只在没有完成实例化的时候才互斥访问。

第三种实现：

public class Singleton {
    // 确保全局仅有一个实例
    private volatile static Singleton instance;

    // 对外屏蔽构造函数，避免外部实例化，确保自己创建自己
    private Singleton() {}

    // 确保使用者均得到一个实例
    public static Singleton getInstance() {
        // 对象存在时，便不需要互斥访问
        if (instance == null) {
            // 确保某一时刻仅一个线程进入
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

第三种方式为双重锁定（Double-Check Locking）。现在，我们只会在没有实例的情况下才会阻塞其他的线程。一旦对象被实例化后，便不会再阻塞任何线程。除以上方式外，还有其他的实现方式。

第四种实现：

public class Singleton {
    // 确保全局仅有一个实例
    private static Singleton instance;

    // 对外屏蔽构造函数，避免外部实例化，确保自己创建自己
    private Singleton() {}

    // 确保使用者均得到一个实例
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

这种方式利用类的加载机制来避免多线程的风险，但单例类何时被实例化是难以预料的。如果单例类的实例化依赖于其他的先决条件，可能会发生不可控的行为。

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单例模式的几种实现​

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