单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类 只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。 比如Hibernate的SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建Session 对象。SessionFactory并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个 SessionFactory就够，这是就会使用到单例模式。

  • 单例类只能有一个实例。
  • 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  • 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

意图：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。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：

  • 一个班级只有一个班主任。
  • Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
  • 一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：

  • 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
  • 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

  • 要求生产唯一序列号。
  • WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
  • 创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

单例模式的几种实现方式

饿汉式（静态常量）

步骤如下

  • 构造器私有化 (防止 new )
  • 类的内部创建对象
  • 向外暴露一个静态的公共方法。getInstance()

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public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1==instance2);
        System.out.println("instance1.hashCode="+instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode="+instance2.hashCode());
    }
}

//饿汉式---静态变量
class Singleton{
    //1.构造器私有化,外部不能new
    private Singleton(){

    }

    //2.本类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton();

    //3.提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

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优点

这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点

在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费

这种方式基于classloder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，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法， 但是导致类装载的原因有很多种，因此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就没有达到lazy loading的效果

结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

饿汉式（静态代码块）

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public class SingletonTest02 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1==instance2);
        System.out.println("instance1.hashCode="+instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode="+instance2.hashCode());
    }
}

//饿汉式---静态变量
class Singleton{
    //1.构造器私有化,外部不能new
    private Singleton(){

    }

    //2.本类内部创建对象实例
    private static Singleton instance;

    //在静态代码块中创建单例对象
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    //3.提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

优点

这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点

在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费

这种方式基于classloder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，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法， 但是导致类装载的原因有很多种，因此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就没有达到lazy loading的效果

这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块 中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

懒汉式（线程不安全）

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public class SingletonTest03 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1==instance2);
        System.out.println("instance1.hashCode="+instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode="+instance2.hashCode());
    }
}
//懒汉式(线程不安全)
class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    //当调用getInstance，才会创建单例对象，饿汉式
    //提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才会创建instance 懒汉式
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优点

起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。

缺点

线程不安全。如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

结论：线程不安全，在实际开发中，不要使用这种方式.

懒汉式（线程安全，同步方法）

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public class SingletonTest04 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1==instance2);
        System.out.println("instance1.hashCode="+instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode="+instance2.hashCode());
    }
}
//懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才会创建instance。加入同步处理。解决线程不安全问题
    // 懒汉式
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优点

解决了线程不安全问题

缺点

效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例， 直接return就行了。方法进行同步效率太低

结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

懒汉式（线程安全，同步代码块）

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public class SingletonTest05 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1==instance2);
        System.out.println("instance1.hashCode="+instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode="+instance2.hashCode());
    }
}

//懒汉式(同步代码块)
class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才会创建instance。加入同步处理。解决线程不安全问题
    // 懒汉式
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class){
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

缺点

这种方式，本意是想对第四种实现方式的改进，因为前面同步方法效率太低， 改为同步产生实例化的的代码块

但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一 致，假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行， 另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例

结论：在实际开发中，不能使用这种方式

懒汉式（双重检查）

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public class SingletonTest06 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用双重检查完成单例模式");
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1==instance2);
        System.out.println("instance1.hashCode="+instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode="+instance2.hashCode());
    }
}
//懒汉式(线程安全,双重检查)
class Singleton {
    //volatile
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法,加入双重检查代码，解决线程安全问题，同时解决懒加载问题
    // 懒汉式
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class){
                if (instance==null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

优点

解决了线程不安全问题。Double-Check概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。

这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)， 直接return实例化对象，也避免的反复进行方法同步

线程安全；延迟加载；效率较高

结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

懒汉式（静态内部类）

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public class SingletonTest07 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用静态内部类完成单例模式");
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1 == instance2);
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

//懒汉式(静态内部类)
class Singleton {

    //构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    //写一个静态内部类，该类中有一个静态属性 Singleton
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

优点

这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。

静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的 实例化。

类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们 保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。

避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高

结论：推荐使用

懒汉式（枚举）

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优点

这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。

这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式

结论：推荐使用

单例模式在JDK 应用的源码分析

我们JDK中，java.lang.Runtime就是经典的单例模式(饿汉式)

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单例模式注意事项和细节说明

单例模式保证了 系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需 要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能

当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new

单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或 耗费资源过多(即：重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数 据库或文件的对象(比如数据源、session工厂等)