DesignPattern系列__10单例模式

单例模式介绍

单例模式，是为了确保在整个软件体统中，某个类对象只有一个实例，并且该类通常会提供一个对外获取该实例的public方法(静态方法)。
比如日志、数据库连接池等对象，通常需要且只需要一个实例对象，这就会使用单例模式。

单例模式的八种模式

• 饿汉式(静态常量)
• 饿汉式(静态代码块)
• 懒汉式(线程不安全)
• 懒汉式(同步方法)
• 懒汉式(同步代码块)
• 懒汉式(双重检查)
• 静态内部类
• 枚举

下面依次来说明一下：

饿汉式(静态常量)

通常，我们创建一个对象的方式就是new，但是，当我们考虑只创建一个实例的时候，就应该禁止外部来通过new的方式进行创建。同时，由于无法使用new，你应该考虑提供一个获取单例对象的方式给别人。

思路

1.将构造器私有化(防止外部new，但是对反射还是有局限)
2.类的内部创建对象
3.对外提供一个获取实例静态的public方法

代码实现：

public class singleton1 {
    public static void main(string[] args) {
        hungrysingleton hungrysingleton = hungrysingleton.getinstance();
        hungrysingleton hungrysingleton1 = hungrysingleton.getinstance();
        system.out.println(hungrysingleton == hungrysingleton1);
    }
}

class hungrysingleton {
    //1.私有化构造器
    private hungrysingleton() {
    }

     // 2.类内部创建对象，因为步骤3是static的，
    // 所以实例对象是static的
    private final static hungrysingleton instance = new hungrysingleton();

    //3.对外提供一个获取对象的方法，
    // 因为调用方式的目的就是为了获取对象，
    // 所以该方法应该是static的。
    public static hungrysingleton getinstance() {
        return instance;
    }
}

运行程序显示，我们的确只创建了一个对象实例。

小结

优点：代码实现比较简单，在类加载的时候就完成了实例化，同时，该方式能够避免线程安全问题。
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。
总结：这种单例模式可以使用，但是可能造成内存的浪费。

饿汉式(静态代码块)

该方式和第一种区别不大，只是将创建实例放在了静态代码块中。
由于无法使用new，你应该考虑提供一个获取单例对象的方式给别人。

思路

1.将构造器私有化(防止外部new，但是对反射还是有局限)
2.类的内部创建对象(通过静态代码块)
3.对外提供一个获取实例静态的public方法

代码实现：

public class singleton2 {
    public static void main(string[] args) {
        hungrysingleton hungrysingleton = hungrysingleton.getinstance();
        hungrysingleton hungrysingleton1 = hungrysingleton.getinstance();
        system.out.println(hungrysingleton == hungrysingleton1);
    }
}

class hungrysingleton {
    //1.私有化构造器
    private hungrysingleton() {
    }

    // 2.类内部创建对象，因为步骤3是static的，
    // 所以实例对象是static的
    private final static hungrysingleton instance;

    static {
        instance = new hungrysingleton();
    }

    //3.对外提供一个获取对象的方法，
    // 因为调用方式的目的就是为了获取对象，
    // 所以该方法应该是static的。
    public static hungrysingleton getinstance() {
        return instance;
    }
}

小结

该方式只是将对象的创建放在静态代码块中，其优点和缺点与第一种方式完全一样。
总结：这种单例模式可以使用，但是可能造成内存的浪费。(同第一种)

懒汉式(线程不安全)

该方式的主要思想就是为了改善饿汉式的缺点，通过懒加载(在使用的时候再去加载)，达到节约内存的目的。
由于无法使用new，你应该考虑提供一个获取单例对象的方式给别人。

思路

1.将构造器私有化(防止外部new，但是对反射还是有局限)
2.类的内部创建对象，懒加载，在使用的时候才去加载
3.对外提供一个获取实例静态的public方法

代码实现：

public class singleton3 {
    public static void main(string[] args) {
        testthread testthread = new testthread();
        thread thread = new thread(testthread);
        thread thread1 = new thread(testthread);
        thread.start();
        thread1.start();
    }
}

class lazysingleton {
    //1.私有化构造器
    private lazysingleton() {}

    //2.类的内部声明对象
    private volatile static lazysingleton instance;

    //3.对外提供获取对象的方法
    public static lazysingleton getinstance() {
        //判断类是否被初始化
        if (instance == null) {
            //第一次使用的时候，创建对象
            instance = new lazysingleton();
        }
        return instance;
    }
}

class testthread implements runnable {

    @override
    public void run() {
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "开始执行");
        try {
            //为了演示多线程情况
            thread.sleep(100);
        } catch (interruptedexception e) {
            e.printstacktrace();
        }
        lazysingleton instance = lazysingleton.getinstance();
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "初始化对象" + instance.hashcode());
    }
}

执行程序后，发现了问题：

//运行结果：
线程thread-0开始执行
线程thread-1开始执行
线程thread-1初始化对象1391273746
线程thread-0初始化对象547686109

小结

优点：起到了懒加载的作用，但是只能在单线程情况下使用。
缺点：多线程下不安全，如果一个线程进入到if语句中阻滞(还未开始创建对象)，另一线程进入并通过了if判断，则会创建多个实例，这一点就违背了单例的目的。
结论：实际情况下，不要使用这种方式。

懒汉式(线程安全，同步方法)

思路

同上一中方式一样，但是为了解决多线程安全问题，使用同步方法。

代码演示：

public class singleton4 {
    public static void main(string[] args) {
        testthread testthread = new testthread();
        thread thread = new thread(testthread);
        thread thread1 = new thread(testthread);
        thread.start();
        thread1.start();
    }
}

class lazysingleton {
    //1.私有化构造器
    private lazysingleton() {}

    //2.类的内部声明对象
    private volatile static lazysingleton instance;

    //3.对外提供获取对象的方法
    public synchronized static lazysingleton getinstance() {
        //判断类是否被初始化
        if (instance == null) {
            //第一次使用的时候，创建对象
            instance = new lazysingleton();
        }
        return instance;
    }
}

class testthread implements runnable {

    @override
    public void run() {
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "开始执行");
        try {
            //为了演示多线程情况
            thread.sleep(100);
        } catch (interruptedexception e) {
            e.printstacktrace();
        }
        lazysingleton instance = lazysingleton.getinstance();
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "初始化对象" + instance.hashcode());
    }
}

运行结果如下所示：

线程thread-1开始执行
线程thread-0开始执行
线程thread-0初始化对象681022576
线程thread-1初始化对象681022576

小结

优点：起到了懒加载的效果，同时，解决了线程安全问题。
缺点：效率低下，每次想要获取对象的时候，去执行getinstance()都是通过同步方法。而且，初始化对象后，再次使用的时候，应该直接return这个对象。
总结：可以在多线程条件下使用，但是效率低下，不推荐。

懒汉式(线程安全，同步代码块)

思路

同样是为了解决多线程安全问题，不过采用的是同步代码块。

代码实现：

public class singleton5 {
    public static void main(string[] args) {
        testthread testthread = new testthread();
        thread thread = new thread(testthread);
        thread thread1 = new thread(testthread);
        thread.start();
        thread1.start();
    }
}

class lazysingleton {
    //1.私有化构造器
    private lazysingleton() {}

    //2.类的内部声明对象
    private volatile static lazysingleton instance;

    //3.对外提供获取对象的方法
    public static lazysingleton getinstance() {
        //判断类是否被初始化
        if (instance == null) {
            //第一次使用的时候，创建对象
            synchronized (lazysingleton.class) {
                instance = new lazysingleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

class testthread implements runnable {

    @override
    public void run() {
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "开始执行");
        try {
            //为了演示多线程情况
            thread.sleep(100);
        } catch (interruptedexception e) {
            e.printstacktrace();
        }
        lazysingleton instance = lazysingleton.getinstance();
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "初始化对象" + instance.hashcode());
    }
}

代码看上去没有问题，那么运行效果如何呢：

//运行结果：
线程thread-1开始执行
线程thread-0开始执行
线程thread-1初始化对象1368942806
线程thread-0初始化对象1187311731

那么，我们发现，打脸了，多线程情况下，创建了两个对象，并未达到单例的目的。

小结

不推荐使用这种方式。

懒汉式(线程安全，双重检查机制)

思路

针对懒汉式的多线程问题，我们可谓是操碎了心：同步方法可以解决问题，但是效率太低了；同步代码块则根本不能保证多线程安全。如何能做到“鱼和熊掌兼得”呢？既然同步代码块的效率较好，那么我们就针对这个方式进行改良：双重检查机制，即在getinstance()内进行两次检查，第一次通过if判断后，初始化对象之前，进行同步并再次进行判断。这样做的目的：既能解决线程安全问题，同时避免第二次使用对象的时候还要执行同步的代码。

代码实现：

public class singleton6 {
    public static void main(string[] args) {
        testthread testthread = new testthread();
        thread thread = new thread(testthread);
        thread thread1 = new thread(testthread);
        thread.start();
        thread1.start();
    }
}

class lazydoublechecksingleton {
    //1.私有化构造器
    private lazydoublechecksingleton() {}

    //2.类的内部声明对象
    private volatile static lazydoublechecksingleton instance;

    //3.对外提供获取对象的方法
    public static lazydoublechecksingleton getinstance() {
        //判断类是否被初始化
        if (instance == null) {
            //第一次使用，通过if判断
            //加锁
            synchronized (lazydoublechecksingleton.class) {
                //拿到锁后，初始化对象之前，再次进行判断
                if (instance == null) {
                    instance = new lazydoublechecksingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

class testthread implements runnable {

    @override
    public void run() {
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "开始执行");
        try {
            //为了演示多线程情况
            thread.sleep(100);
        } catch (interruptedexception e) {
            e.printstacktrace();
        }
        lazydoublechecksingleton instance = lazydoublechecksingleton.getinstance();
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "初始化对象" + instance.hashcode());
    }
}

运行结果如下所示：

//运行结果：
线程thread-0开始执行
线程thread-1开始执行
线程thread-1初始化对象996963733
线程thread-0初始化对象996963733

小结

优点：

• 解决了上一种方式中的线程安全问题，同时实现了延迟加载的效果，节约内存；
• 第二次使用的时候，if判断为false，直接返回创建好的对象，避免进入同步代码，提高了效率；
  结论：推荐使用这种方式，实际工作中也比较常见这种方式。

静态内部类

思路

为了实现多线程情况下安全，除了手工加锁，还有别的方式。现在，我们采用静态内部类的方式。这种方式利用了jvm加载类的机制来保证只初始化一个对象。
思路同样是私有化构造器，对外提供静态的公开方法；不同之处是，类的创建交给静态内部类来时实现。

代码实现

public class singleton7 {
    public static void main(string[] args) {
        testthread testthread = new testthread();
        thread thread = new thread(testthread);
        thread thread1 = new thread(testthread);
        thread.start();
        thread1.start();
    }
}

class staticinnersingleton {
    // 1.构造器私有化
    private staticinnersingleton() {}

    // 2.通过静态内部类来初始化对象
    private static class innerclass {
        private static final staticinnersingleton instance = new staticinnersingleton();
    }

    // 3.对外提供获取对象的方法
    public static staticinnersingleton getinstance() {
        return innerclass.instance;
    }
}


class testthread implements runnable {

    @override
    public void run() {
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "开始执行");
        try {
            //为了演示多线程情况
            thread.sleep(100);
        } catch (interruptedexception e) {
            e.printstacktrace();
        }
        staticinnersingleton instance = staticinnersingleton.getinstance();
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "初始化对象" + instance.hashcode());
    }
}

运行结果：

线程thread-0开始执行
线程thread-1开始执行
线程thread-0初始化对象1326533480
线程thread-1初始化对象1326533480

ok，我们发现，这种方式达到了预期的效果。

小结

优点：

• 这种静态内部类的方式，通过类加载机制来保证了初始化实例时只有一个实例。
• 类的静态属性只有在第一次加载类的时候初始化，而jvm能保证线程安全，在类的初始化过程中，只有一个线程能进入并完成初始化。
• 静态内部类方式实现了懒加载的效果，这种方式不会在类staticinnersingleton加载的时候进行初始化，而是在第一次使用时调用getinstance()方法初始化，能够起到节约内次的目的。
• 该方式的getinstance()方法，通过调用静态内部类的静态属性返回实例对象，避免了每次调用时进行同步，效率高。
  结论：线程安全，效率高，代码实现简单，推荐使用。

枚举

思路

在静态内部类的方式中，我们借用了jvm的类加载机制来实现了功能，同样，还可以借用java的枚举来实现单例模式。

public class singleton8 {
    public static void main(string[] args) {
        testthread testthread = new testthread();
        thread thread = new thread(testthread);
        thread thread1 = new thread(testthread);
        thread.start();
        thread1.start();
    }
}

enum enumsingleton {
    instance;

    public void sayhi() {
        system.out.println("hi, " + instance);
    }
}

class testthread implements runnable {

    @override
    public void run() {
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "开始执行");
        try {
            //为了演示多线程情况
            thread.sleep(100);
        } catch (interruptedexception e) {
            e.printstacktrace();
        }
        enumsingleton instance = enumsingleton.instance;
        system.out.println("线程" + thread.currentthread().getname() + "初始化对象" + instance.hashcode());
    }
}

运行结果如下：

线程thread-0开始执行
线程thread-1开始执行
线程thread-1初始化对象1134798663
线程thread-0初始化对象1134798663

小结

优点：这中方式需要在jdk1.5以上的版本中使用，利用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。在《effective java》中提到了这种方式，其作者推荐。
结论：推荐使用。

未完待续