【设计模式】单例模式Singleton（Java）

定义

单例模式（单件模式）确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。——HeadFirst

单例模式通过过防止外部实例化和修改来控制创建的对象的数量。

关键点：

• 私有构造函数，没有其他类可以实例化一个新对象。
• 私有引用-没有外部修改。
• Public static getInstance方法是唯一可以获取对象的地方。

问：为什么单例模式能确保实例独一无二？
答：因为单例模式没有公开的构造器，构造器是私有的，因此他人无法自己创建实例对象。而且他人想获取实例必须通过调用getInstance静态方法得到实例，实例也许是调用时创建的，也许是之前已经创建好的。

类图

Java经典实现

私有构造器、一个静态方法、一个静态变量。

懒汉Lazy Mode：

public class Singleton{// 使用一个静态变量记录Stingleton的唯一实例private static Singleton uniqueInstance;// 这里是其他有用的实例化变量// 私有构造方法private Singleton(){} public static Singleton getInstance(){if(uniqueInstance == null){uniqueInstance = new Singleton();}return uniqueInstance;}// 其他有用的方法
}

饿汉Eager Mode：

public class Singleton2 {// 使用一个静态私有变量记录Stingleton的唯一实例private static Singleton2 uniqueInstance = new Singleton2();// 这里是其他有用的实例化变量// 私有构造方法private Singleton2(){}public static Singleton2 getInstance(){return uniqueInstance;}// 其他有用的方法
}

在饿汉下的多线程案例

单例类GlobalNum.java

public class GlobalNum {private static  GlobalNum gn=new GlobalNum();private int num=0;public static GlobalNum getInstance(){return gn;}public synchronized int getNum() //加锁{return ++num; //返回访问次数}
}

主方法SingleMain.java

class NumThread extends Thread{private String threadName;public NumThread(String name){threadName=name;}public void run(){ GlobalNum gnObj=GlobalNum.getInstance();for (int i = 0; i < 5; i++) {System.out.println(threadName+"第"+gnObj.getNum()+"次访问");try {this.sleep(1000);} catch (Exception e) {// TODO: handle exceptionSystem.out.println("错误");} }}
}public class SingleMain {
//测试单件模式public static void main(String[] args) {// TODO Auto-generated method stubNumThread thread1=new NumThread("线程1");NumThread thread2=new NumThread("线程2");thread1.start();thread2.start();}
}

JDK8运行结果：

线程1第2次访问
线程2第1次访问
线程1第3次访问
线程2第4次访问
线程1第5次访问
线程2第6次访问
线程1第7次访问
线程2第8次访问
线程1第9次访问
线程2第10次访问

在懒汉下的多线程案例

getInstance方法添加synchronized关键字，防止不同线程创建多个实例对象从而违反单例模式。

public class GlobalNum {private static GlobalNum globalNum;private int num=0;// getInstance方法添加synchronized关键字，防止创建多个实例public static synchronized GlobalNum getInstance(){if(globalNum==null){globalNum = new GlobalNum();return globalNum;}return globalNum;}public synchronized int getNum() //加锁{return ++num; //返回访问次数}
}

主方法SingleMain.java

同上

输出结果：

线程1第1次访问
线程2第2次访问
线程1第4次访问
线程2第3次访问
线程1第6次访问
线程2第5次访问
线程1第7次访问
线程2第8次访问
线程1第9次访问
线程2第10次访问

如果上述getInstance不添加synchronized，则会造成输出：

线程1第1次访问
线程2第1次访问
线程1第2次访问
线程2第2次访问
线程1第3次访问
线程2第3次访问
线程1第4次访问
线程2第4次访问
线程1第5次访问
线程2第5次访问

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上述懒汉下的多线程案例虽然达到预想效果但是存在缺陷：为了防止多个线程创建多个对象，给getInstance添加synchronized，但实际上只有第一次执行getInstance方法，才需要真正的同步，当已经创建好对象时，后续无需在同步getInstance方法（导致后续每次调用getInstance，同步变成累赘，性能资源浪费）。

改进：使用双重检查加锁，减少使用同步。

添加volatile及synchronized同步块

public class GlobalNum {private static volatile GlobalNum globalNum;private int num=0;public static  GlobalNum getInstance(){if(globalNum==null){synchronized(GlobalNum.class){if(globalNum==null)globalNum = new GlobalNum();}}return globalNum;}public synchronized int getNum() //加锁{return ++num; //返回访问次数}
}

总结

• 单例模式确保一个程序中的一个类只有一个实例。
• 单例模式提供访问这个实例的全局访问点。
• Java实现单例模式：私有构造器、一个静态变量、一个静态方法。
• 确定性能资源的限制后，在多线程情况下，谨慎选择合适的方法实现单例模式。

参考：
HeadFirst设计模式、https://www.programcreek.com/2011/07/java-design-pattern-singleton/