面向对象设计模式：创建型模式之单例模式

1. 单例模式，Singleton Pattern

1.1 Definition 定义

单例模式是确保类有且仅有一个实例的创建型模式，其提供了获取类唯一实例（全局指针）的方法。
单例模式类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，而不需要实例化该类的对象。

1.2 Motivation 动机

Sometimes we want just a single instance of a class to exist in the system. For example, we want just one window manager, or just one factory for a family of products.
有时我们只希望系统中存在一个类的单个实例。例如，我们只需要一个窗口管理器，或者一个产品系列只需要一个工厂。

1.3 Benefit 益处

• Controlled access to sole instance. 对唯一实例的受控访问
• More flexible than static class (class with all static properties and methods). 比静态类灵活
  • Static class must be stateless; Singleton could be stateful. 静态类必须无状态，单例可以有状态

1.4 实现

• 私有构造方法
• 获取唯一实例引用的静态方法

2. 单例模式类型

2.1 懒汉式-线程不安全

• 懒加载：是
• 线程安全：否

public class LazyLoadingSingleton {private static LazyLoadingSingleton lazyLoadingSingleton;private LazyLoadingSingleton() {}public static LazyLoadingSingleton singleton() {if (lazyLoadingSingleton == null) {lazyLoadingSingleton = new LazyLoadingSingleton();}return lazyLoadingSingleton;}public void log(String msg) {System.out.println("Log: " + msg);}
}

2.2 懒汉式-线程安全

• 懒加载：是
• 线程安全：是
• 优点：首次调用初始化，避免内存占用
• 缺点：影响效率

public class LazyLoadingSingleton {private static LazyLoadingSingleton singleton;private LazyLoadingSingleton() {}public static synchronized LazyLoadingSingleton singleton() {if (singleton == null) {singleton = new LazyLoadingSingleton();}return singleton;}public void log(String msg) {System.out.println("Log: " + msg);}
}

2.3 饿汉式

建议采用

• 懒加载：否
• 线程安全：是
• 优点：未加锁，效率高
• 缺点：类加载时初始化，浪费内容

public class ClassLoadSingleton {private static ClassLoadSingleton singleton = new ClassLoadSingleton();private ClassLoadSingleton() {}public static ClassLoadSingleton singleton() {return singleton;}public void log(String msg) {System.out.println("Log: " + msg);}
}

解法：静态内部类，延迟类加载的对象实例化

public class ClassLoadSingleton {// private static ClassLoadSingleton singleton = new ClassLoadSingleton();private static class SingleHandler {private static final ClassLoadSingleton singleton = new ClassLoadSingleton();}private ClassLoadSingleton() {}public static ClassLoadSingleton singleton() {return SingleHandler.singleton;}public void log(String msg) {System.out.println("Log: " + msg);}
}

2.4 双重校验锁：校验是否为空

双次校验是否为空，类加锁在双次校验之中
可以使用

• 懒加载：是
• 线程安全：是
• 优点：保证多线程下的效率

package singleton;public class DoubleCheckSingleton {private volatile static DoubleCheckSingleton singleton;private DoubleCheckSingleton() {}public static DoubleCheckSingleton singleton() {if (singleton == null) {synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {if (singleton == null) {singleton = new DoubleCheckSingleton();}}}return singleton;}public void log(String msg) {System.out.println("Log: " + msg);}
}

关于 volatile 易失性关键字：
volatile 提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数据。如果没有 volatile 关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值（在某一线程写入寄存器但且未写入变量地址），如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。