4-設計模式-單例模式

概念

首先，重點！！！
- 單例類只能有一個實例
- 單例類必須自己創建自己的唯一實例
- 單例類必須給所有其他對象提供這一實例

單例模式可以說是23種設計模式中至關重要的設計模式之一，在我們的生活中無處不在。此外，其實現也有很多種，同時也存在着線程安全問題。
以下內容摘自菜鳥教程

意圖：保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點。
主要解決：一個全局使用的類頻繁地創建與銷燬。

何時使用：當您想控制實例數目，節省系統資源的時候。

如何解決：判斷系統是否已經有這個單例，如果有則返回，如果沒有則創建。

關鍵代碼：構造函數是私有的。

應用實例：
1、一個黨只能有一個主席。
2、Windows是多進程多線程的，在操作一個文件的時候，就不可避免地出現多個進程或線程同時操作一個文件的現象，所以所有文件的處理必須通過唯一的實例來進行。
3、一些設備管理器常常設計爲單例模式，比如一個電腦有兩臺打印機，在輸出的時候就要處理不能兩臺打印機打印同一個文件。

優點：
1、在內存裏只有一個實例，減少了內存的開銷，尤其是頻繁的創建和銷燬實例（比如管理學院首頁頁面緩存）。
2、避免對資源的多重佔用（比如寫文件操作）。

缺點：
沒有接口，不能繼承，與單一職責原則衝突，一個類應該只關心內部邏輯，而不關心外面怎麼樣來實例化。

使用場景：
1、要求生產唯一序列號。
2、WEB 中的計數器，不用每次刷新都在數據庫里加一次，用單例先緩存起來。
3、創建的一個對象需要消耗的資源過多，比如 I/O 與數據庫的連接等。

注意事項：
getInstance() 方法中需要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class)
防止多線程同時進入造成 instance 被多次實例化。

懶漢式-線程不安全

懶漢式，顧名思義，當我們需要單例對象時，再創建獲取它。

• 首先，私有一個靜態的單例對象，爲null
• 然後，稀有單例類的構造方法
• 其次，創建一個公共靜態的方法用來獲取單例對象。並且在調用該方法時創建對象並返回

/**
 * 懶漢式,線程不安全
 * 
 * 項目名稱：JavaRec<br/>
 * 類名稱：LazySingleton<br/>
 * 類描述：這種方式是最基本的實現方式，這種實現最大的問題就是不支持多線程。因爲沒有加鎖 synchronized，所以嚴格意義上它並不算單例模式。
 * 這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工作。<br/>
 * 時間 2018年4月18日 下午2:54:42
 * @author wzw
 * @version
 */
public class LazySingletonUnSafe {

    private static LazySingletonUnSafe instance;

    private LazySingletonUnSafe() {}

    public static LazySingletonUnSafe getSingleton() {
        if (null == instance) {
            instance = new LazySingletonUnSafe();
        }
        return instance;
    }

}

懶漢式-線程安全

• 首先，私有一個靜態的單例對象，爲null
• 然後，稀有單例類的構造方法
• 其次，創建一個公共靜態的方法用來獲取單例對象。並且在調用該方法時創建對象並返回
• 最後，在公共靜態方法上加synchronzied關鍵字，給其加鎖

/**
 * 懶漢式，線程安全
 * 項目名稱：JavaRec<br/>
 * 類名稱：LazySinletonSafe<br/>
 * 類描述：這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。<br/>
 * 優點：第一次調用才初始化，避免內存浪費。<br/>
 * 缺點：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。<br/>
 * getInstance() 的性能對應用程序不是很關鍵（該方法使用不太頻繁）。<br/>
 * 時間 2018年4月18日 下午2:59:50
 * @author wzw
 * @version
 */
public class LazySinletonSafe {
    private static LazySinletonSafe instance;
    private LazySinletonSafe() {}

    public static synchronized LazySinletonSafe getSinleton() {
        if (null == instance) {
            instance = new LazySinletonSafe();
        }
        return instance;
    }
}

餓漢式

• 首先，創建一個私有靜態的單例對象，並實例化
• 然後，私有其構造方法
• 其次，提供一個公共靜態方法用於獲取單例對象

/**
 * 餓漢式-線程安全
 * 項目名稱：JavaRec<br/>
 * 類名稱：HungrySingletonSafe<br/>
 * 類描述：這種方式比較常用，但容易產生垃圾對象。<br/>
 * 優點：沒有加鎖，執行效率會提高。<br/>
 * 缺點：類加載時就初始化，浪費內存。<br/>
 * 它基於 classloder 機制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時就實例化，雖然導致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數都是調用 
 * getInstance 方法， 但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態方法）導致類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達到 lazy loading 的效果。<br/>
 * 時間 2018年4月18日 下午3:04:43
 * @author wzw
 * @version
 */
public class HungrySingletonSafe {
    private static HungrySingletonSafe instance = new HungrySingletonSafe();
    private HungrySingletonSafe() {};

    public static HungrySingletonSafe getSingleton() {
        return instance;
    }
}

單例模式-DCL

• 首先，私有靜態單例對象，注意，這裏用到了volatile關鍵字
• 然後，私有其構造方法
• 其次，創建一個公共靜態的方法用於獲取單例對象
• 最後，在公共靜態方法中，我們進行了兩次null判斷，並在第二次null判斷時加上synchronized關鍵字

注意：關於volatile關鍵字與synchronized關鍵字的區別

https://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/52611233

synchronized

關鍵字解決的是執行控制的問題，它會阻止其它線程獲取當前對象的監控鎖，這樣就使得當前對象中被synchronized關鍵字保護的代碼塊無法被其它線程訪問，也就無法併發執行。更重要的是，synchronized還會創建一個內存屏障，內存屏障指令保證了所有CPU操作結果都會直接刷到主存中，從而保證了操作的內存可見性，同時也使得先獲得這個鎖的線程的所有操作，都happens-before於隨後獲得這個鎖的線程的操作。

volatile

關鍵字解決的是內存可見性的問題，會使得所有對volatile變量的讀寫都會直接刷到主存，即保證了變量的可見性。這樣就能滿足一些對變量可見性有要求而對讀取順序沒有要求的需求。

/**
 * 單例模式-雙檢鎖/雙重校驗鎖（DCL，即 double-checked locking）
 * 項目名稱：JavaRec<br/>
 * 類名稱：Singleton<br/>
 * 類描述：這種方式採用雙鎖機制，安全且在多線程情況下能保持高性能。
 * getInstance() 的性能對應用程序很關鍵。<br/>
 * 時間 2018年4月18日 下午3:07:20
 * @author wzw
 * @version
 */
public class Singleton {

    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getSingleton() {
        if (null == instance) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

單例模式-登記式/靜態內部類

• 首先，私有構造方法
• 然後，創建一個私有靜態常量，單例對象
• 其次，提供一個公共靜態方法獲取單例對象

/**
 * 單例模式-登記式/靜態內部類
 * 項目名稱：JavaRec<br/>
 * 類名稱：HandleSingleton<br/>
 * 類描述：這種方式能達到雙檢鎖方式一樣的功效，但實現更簡單。對靜態域使用延遲初始化，應使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用於靜態域的情況，
 * 雙檢鎖方式可在實例域需要延遲初始化時使用。這種方式同樣利用了 classloder 機制來保證初始化 instance 時只有一個線程，它跟餓漢式方式不同的是：
 * 餓漢式只要 Singleton 類被裝載了，那麼 instance 就會被實例化（沒有達到 lazy loading 效果），而這種方式是 Singleton 類被裝載了，
 * instance 不一定被初始化。因爲 SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有通過顯式調用 getInstance 方法時，
 * 纔會顯式裝載 SingletonHolder 類，從而實例化 instance。<br/>
 * 想象一下，如果實例化 instance 很消耗資源，所以想讓它延遲加載，另外一方面，又不希望在 Singleton 類加載時就實例化，因爲不能確保 Singleton 類
 * 還可能在其他的地方被主動使用從而被加載，那麼這個時候實例化 instance 顯然是不合適的。這個時候，這種方式相比餓漢式就顯得很合理。
 * 時間 2018年4月18日 下午3:13:22
 * @author wzw
 * @version
 */
public class Singleton2 {
    private Singleton2() {}

    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton2 INSTANCE = new Singleton2();  
    } 

    public static Singleton2 getSingleton() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

}