单例模式

1.单例模式定义

单例模式是一个比较简单的的模式，其定义如下:

Ensure a class has only one instance，and provide a global point of access to it.(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。)

2.单例模式的简单实现

皇帝类

package cn.edu.njtech;

public class Emperor {
    private static final Emperor emperor = new Emperor();

    private Emperor() {
        // 世俗和道德的约束，目的就是不希望产生第二个皇帝
    }

    public static Emperor getInstance() {
        return emperor;
    }

    // 皇帝发话了
    public static void say() {
        System.out.println("我就是皇帝某某某.....");
    }
}

臣子类

package cn.edu.njtech;

public class Minister {
    public static void main(String[] args) {
        for (int day = 0; day < 3; day++) {
            Emperor emperor = Emperor.getInstance();
            emperor.say();
        }
        // 三天见的皇帝是同一人，荣幸吧
        /*
        我就是皇帝某某某.....
		我就是皇帝某某某.....
		我就是皇帝某某某.....
        */
    }
}

3.单例模式的通用代码

package cn.edu.njtech;

public class Singleton {
    private static final Singleton singleton = new Singleton();

    // 限制产生多个对象
    private Singleton() {

    }

    // 通过该方法获得实例对象
    public static Singleton getSingleton() {
        return singleton;
    }

    // 类中其他方法，尽量是static
    public static void doSomeThing() {
        
    }
}

4.单例模式的应用

优点：

由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建销毁时，而且创建和销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。
由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置，产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永远驻留内存的方式来解决。
单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件同时写操作。
单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射关系。

缺点：

单例模式一般没有接口，扩展比较困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。单例模式为什么不能实现接口呢？因为接口对单例模式是没有任何意义的，它要求"自行实例化"，并且提供单一实例，接口或抽象类是不可能被实例化的。当然，在特殊情况下，单例模式可以实现接口，被继承等，需要在系统开发中根据环境判断。
单例模式对测试是不利的。在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能适应mock方式虚拟一个对象。
单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只有一个逻辑，而不关心它是否是单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把"要单例"和业务逻辑融合在一个类中。

单例模式的使用场景：

在一个系统中，要求一个类有且仅有一个对象，如果出现多个对象就会出现"不良反应"，可以采用单例模式，具体的场景如下：

要求生成唯一序列号的环境；
在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据，例如一个Web页面的计数器，可以不用把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保是线程安全的；
创建一个对象需要消耗的资源较多，如要访问IO和数据库等资源；
需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式（当然也可以直接声明为static的方式）

5.单例模式的注意事项

首先，在高并发的情况下，请注意单例模式的线程安全问题。单例模式有几种不同的实现方式，上面的例子不会出现多个实例的情况，但是如下面代码块所示的单例模式就需要考虑线程同步

package cn.edu.njtech;

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    // 限制产生多个对象
    private Singleton() {

    }
    // 通过该方法获得实例对象
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }

    // 类中其他方法，尽量是static
    public static void doSomeThing() {

    }
}

该单例模式在低并发的情况下并不会出现问题，若系统压力增大，并发量增加则可能在内存中出现多个实例，破坏了最初的预期。为什么会出现这种情况呢？如一个线程A执行到singleton = new Singleton()，还没有获取对象（对象初始化时需要时间的），第二个线程B也在执行，执行到if (singleton == null) 判断，那么线程B获得判断条件为真，于是继续执行下去，线程A也获得了一个对象，线程B也获得了一个对象，在内存中就会出现两个对象。

解决线程不安全的方法有很多，可以在getSingleton方法前面加synchronized关键字，也可以在getSingleton方法内增加synchronized来实现，但都不是优秀的单例模式（附录有懒汉式单例），建议使用单例模式的简单实现里面的代码（有的书上把这种写法称为饿汉式单例，上述增加了synchronized的单例称为懒汉式单例）

6.单例模式的扩展

如果一个类可以产生多个对象，对象的数量不受限制，则是非常容易实现的，直接使用new关键字就可以了，如果只需要一个对象，使用单例模式就可以了，但是如果要求一个类能产生两三个对象呢？该怎么实现？我们还是以皇帝为例来说明。

固定数量的皇帝类

package cn.edu.njtech;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Random;

public class Emperor {
    // 定义最多能产生的实例数量
    private static int maxNumOfEmperor = 2;
    // 每个皇帝都有名字，使用一个ArrayList来容纳，每个对象的私有属性
    private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<>();
    // 定义一个列表，容纳所有的皇帝实例
    private static ArrayList<Emperor> emperorList = new ArrayList<>();
    // 当前皇帝序列号
    private static int countNumberOfEmperor = 0;

    // 产生所有的对象
    static {
        for (int i = 0; i < maxNumOfEmperor; i++) {
            emperorList.add(new Emperor("皇" + (i + 1) + "帝"));
        }
    }

    private Emperor() {
        // 世俗和道德的约束，不产生其他皇帝
    }

    // 传入皇帝名称，建立一个皇帝对象
    private Emperor(String name) {
        nameList.add(name);
    }

    public static Emperor getInstance() {
        Random random = new Random();
        // 随机拉出一个皇帝，只要是个精神领袖就成
        countNumberOfEmperor = random.nextInt(maxNumOfEmperor);
        return emperorList.get(countNumberOfEmperor);
    }

    // 皇帝发话了
    public static void say() {
        System.out.println(nameList.get(countNumberOfEmperor));
    }
}

臣子参拜皇帝的过程

package cn.edu.njtech;

public class Minister {
    public static void main(String[] args) {
        // 定义5个大臣
        int ministerNum = 5;
        for (int i = 0; i < ministerNum; i++) {
            Emperor emperor = Emperor.getInstance();
            System.out.print("第" + (i + 1) + "个打大臣参拜的是:");
            emperor.say();
        }
    }
}

7.最佳实践

单例模式使23个模式中比较简单的模式，应用也非常广泛，如在Spring中，每个Bean默认就是单例的，这样做的优点是Spring容器可以管理这些Bean的生命周期，绝对什么时候创建，什么时候销毁，销毁的时候要如何处理，等等。如果采用非单例模式（Prototype类型），则Bean初始化后的管理交由J2EE容器，Spring容器不再跟踪Bean的生命周期。

附录

线程安全的懒汉式单例

package cn.edu.njtech.book;

public class LazySingleton{
  // volatile 保证字节码层面保证正常的顺序
  private volatile static LazySingleton instance;

  private LazySingleton(){

  }

  // synchronized 加锁操作 相当于线程锁 加在方法上面效率低
  public static LazySingleton getInstance() {
    if(instance == null){
      synchronized (LazySingleton.class){
        if(instance == null){
          instance = new LazySingleton();
          // 字节码层
          /* JIT, CPU,
          1. 分配空间
          2. 初始化
          3. 引用赋值
           */
        }
      }
    }
    return instance;
  }
}