模式动机与定义
模式动机
对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要。例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一
个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID（序
号）生成器。
如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访
问，但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以
保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。
定义
单例模式（Singleton Pattern）:单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这
个实例，这个类称为实例类，它提供全局访问的方法。单例模式的要点有三个：
- 一是某个类只能有一个实例；
- 二是它必须自行创建这个实例；
- 三是它必须自行向整个系统提供这个实例。
单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。
模式结构与分析
模式结构
单例模式是结构最简单的设计模式一，在它的核心结构中只包含一个被称为单例类的特殊类。单例模式结构
如图所示：
单例模式包含如下角色：Singleton:单例
模式分析
单例模式的目的是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。单例模式包含的角色只有一
个，就是单例类-------Singleton。单例类拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new关键字直接实例化
它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法，该工厂方法负责检验实例的存
在性并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。
单例模式的实现代码如下所示：
public class Singleton {
private static Singleton instance = null; // 静态私有成员变量
// 私有构造函数
private Singleton() {
}
// 静态公有工厂方法，返回唯一实例
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null)
instance = new Singleton();
return instance;
}
}
在单例模式的实现过程中，需要注意以下三点：
- 单例类的构造函数为私有
- 提供一个自身的静态私有成员变量
- 提供一个公有的静态工厂方法
模式实例与解析
模式实例与解析
实例一：身份证号码
在现实生活中，居民身份证号码具有唯一性，同一个人不允许有多个身份证号码，第一次申请身份证时将给
居民分配一个身份证号码，如果之后因为遗失等原因补办时，还是原来的身份证号码，不会产生新的号码。
使用单例模式模拟该场景。
参考代码如下：
public class IdetntityCardNo {
private static IdetntityCardNo instance = null;
private String no;
private IdetntityCardNo() {
}
public static IdetntityCardNo getInstance() {
if (instance == null) {
System.out.println("第一次办理身份证，分配新号码");
instance = new IdetntityCardNo();
instance.setIdetntityCardNo("NO410221199001013822");
} else {
System.out.println("重复办理身份证，获取旧号码");
}
return instance;
}
private void setIdetntityCardNo(String no) {
this.no = no;
}
String getIdentityCardNo() {
return this.no;
}
}
实例二：打印池
在操作系统中，打印池(Print Spooler)是一个用于管理打印任务的应用程序，通过打印池用户可以删除、中
止或者改变打印任务的优先级，在一个系统中只允许运行一个打印池对象，如果重复创建打印池则抛出异
常。现使用单例模式来模拟实现打印池的设计。
参考代码如下：
- PrintSpoolerSinglenton类：
public class PrintSpoolerSinglenton {
private static PrintSpoolerSinglenton instance = null;
private PrintSpoolerSinglenton() {
}
public static PrintSpoolerSinglenton getInstance() {
if (instance == null) {
System.out.println("创建打印池！");
instance = new PrintSpoolerSinglenton();
} else {
System.out.println("打印池正在工作中！");
return null;
}
return instance;
}
public void manageJobs() {
System.out.println("管理打印事务！");
}
}
- PrintSpoolerException 类：
public class PrintSpoolerException extends Exception {
public PrintSpoolerException(String message) {
super(message);
}
}
- Cllient 类：
public class Cllient {
public static void main(String[] arg) {
PrintSpoolerSinglenton ps1, ps2;
try {
ps1 = PrintSpoolerSinglenton.getInstance();
ps1.manageJobs();
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
System.out.println("----------------------------");
try {
ps2 = PrintSpoolerSinglenton.getInstance();
ps2.manageJobs();
} catch (Exception e) {
System.out.println(e.getMessage());
}
}
}
模式效果与应用
模式效果
单例模式的优点：
- 由於单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
- 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂
方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。 - 滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类，可能会导致共享连
接池对象的程序过多而出现连接池溢出；现在很多面向对象语言（如Java、C#）的运行环境都提供了自
动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回
收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致对象状态的丢失。
模式应用
在以下情况下可以使用单例模式：
- 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器，或者需要考虑资源消耗太大而只 允许创建一个对象。
- 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实 例。
- 在一个系统中要求一个类只有一个实例时才应当使用单例模式。反过来，如果一个类可以有几个实例共
存，就需要对单例模式进行改进，使之成为多例模式。
- java.lang.Runtime类
public class Runtime {
private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
public static Runtime getRuntime() {
return currentRuntime;
}
private Runtime(){}......
}
- 一个具有自动编号主键的表可以有多个用户同时使用，但数据库中只能有一个地方分配下一个主键编
号，否则会出现主键重复，因此该主键编号生成器必须具备唯一性，可以通过单例模式来实现。 - 默认情况下，Spring会通过单例模式创建bean
模式扩展
懒汉式，线程不安全
是否 Lazy 初始化： 是
是否多线程安全：否
实现难度：易
描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。 这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
懒汉式，线程安全
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。 getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
饿汉式
是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。 它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：较复杂
描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。 getInstance() 的性能对应用程序很关键。
public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
登记式/静态内部类
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：一般
描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。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。 这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。
public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}
枚举
JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。 不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void whateverMethod() {
}
}
经验之谈
一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。
