1. 單例模式的定義
單例模式（Singleton Pattern）是一個比較簡單的模式，其原始定義如下：Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it. 即確保只有一個實例，而且自行實例化并向整個系統提供這個實例。單例模式的通用類如下圖所示：
Singleton類稱為單例類，通過使用private的構造函數確保了在一個應用中只產生一個實例，并且是自行實例化的（在Singleton中自己new Singleton()）。單例模式的通用代碼如下（這種也稱為餓漢式單例）：
/****************** 單例模式：程序清單1 ***************************/ public class Singleton { private static Singleton instance = new Singleton(); //1.自己內部new一個 private Singleton() { //2.私有構造函數，防止被實例化 } //3.提供一個公共接口，用來返回剛剛new出來的對象 public static Singleton getInstance() { return instance; } public void test() { System.out.println("singleton"); } } /********************************************************************/
2. 單例模式存在的線程安全問題
上面是一個經典的單例模式程序，且這個程序不會產生線程同步問題，因為類第一次加載的時候就初始化了instance。但是單例模式還有其他的實現方式，就有可能會出現線程同步問題，請看下面的例子：
/* * 這種方式就是非線程安全了（懶漢式單例） */ public class Singleton { private static Singleton instance = null; private Singleton() { } public static Singleton getInstance() { if(instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; } }
為什么會出現線程安全問題呢？假如一個線程A執行到instance = new Singleton()，但還沒有獲得對象（對象的初始化是需要時間的），第二個線程B也在執行，執行到判斷instance == null時，那么線程B獲得的條件也是真，于是也進入實例化instance了，然后線程A獲得了一個對象，線程B也獲得了一個對象，在內存中就存在了兩個對象了！
解決線程安全問題的方法有很多，比如我們可以在getInstance()方法前面加上synchronized關鍵字來解決，如下：
public static synchronized Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; }
但是synchronized關鍵字鎖住的是這個對象，這樣的用法在性能上會有所下降，因為每次調用getInstance()時都要對對象上鎖。事實上，只要在第一次創建對象的時候加鎖，后面創建完了就不需要了，所以我們可以做進一步的改進，如下：
public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (instance) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; }
我們將synchronized關鍵字加到內部，也就是說當調用的時候是不需要加鎖的，只有在instance == null的時候且創建對象的時候再加鎖，這樣要比上面的那種方式好。但是這種方式還是有可能會產生線程安全問題，因為JVM中創建對象和賦值操作是分開進行的，即instance = new Singleton()這句是分兩步進行的。過程是這樣的：JVM會為先給Singleton實例分配一個空白的內存，并賦值給instance成員，但是此時JVM并沒有開始初始化這個實例，然后再去new一個Singleton對象賦給instance。這就會導致線程問題了，比如A線程進入synchronized代碼塊了，執行完了instance = new Singleton()后退出代碼塊，但是此時還沒有真正初始化，這是線程B進來了，發現instance不為null，于是就立馬返回該instance（其實是沒有初始化好的），然后B就開始使用該instance，卻發現沒初始化，于是就出問題了。
所以要解決這種“懶漢式”單例的線程問題，一種建議使用上面的程序清單1的方式，即使用”餓漢式“單例。另一種，在實際中，也可以用內部類來維護單例的實現。JVM內部的機制能夠保證當一個類被加載的時候，這個類的加載過程是線程互斥的。這樣，當我們第一次調用getInstance()方法的時候，JVM能夠幫我們保證instance實例只被創建一次，并且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢，見如下代碼：
/****************** 單例模式：程序清單2 ****************************/ public class Singleton { private Singleton() { //私有構造方法，防止被實例化 } /*使用一個內部類來維護單例 */ private static class SingletonFactory { private static Singleton instance = new Singleton(); } public static Singleton getInstance() { //獲取實例 return SingletonFactory.instance; } /* 如果該對象被用于序列化，可以保證對象在序列化前后保持一致 */ public Object readResolve() { return getInstance(); } } /********************************************************************/
3.單例模式的克隆
上面分析了單例模式的線程安全問題，還有個問題就是需要考慮單例模式中對象的復制問題。在Java中，對象默認是不可以被復制的，但是若實現了Cloneable接口，并實現了clone方法，則可以直接通過對象復制方式創建一個新對象，對象復制不是調用類的構造方法，所以即使是私有的構造方法，對象仍然是可以被復制的。但是在一般情況下，單例類很少會主動要求被復制的，所以解決該問題最好的方法就是單例類不要實現Cloneable接口即可。
4. 單例模式的擴展
如果一個類可以產生多個對象且數量不受限制，是非常容易的，直接new就是了。但是如果使用單例模式，但是要求一個類真能產生兩三個對象呢？這種情況該如何實現？針對這種情況，我們就需要在單例類中維護一個變量，用來表示實例的個數，而且還需要一些容器來保存不同的實例以及實例對應的屬性，如下：
/*************************** 單例模式的擴展：程序清單3 ************************************/ public class Singleton { //定義最多能產生的實例數量 private static int maxNumOfInstance = 3; //存儲每個實例的名字 private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<String>(); //存儲每個實例對象 private static ArrayList<Singleton> instanceList = new ArrayList<Singleton>(); //當前實例的索引 private static int indexOfInstance = 0; //靜態代碼塊，在類加載的時候初始化2個實例 static { for(int i = 0; i < maxNumOfInstance; i++) { instanceList.add(new Singleton("instance" + (i+1))); } } private Singleton() { } private Singleton(String name) { //帶參數的私有構造函數 nameList.add(name); } //返回實例對象 public static Singleton getInstance() { Random random = new Random(); //隨機挑選一個實例 indexOfInstance = random.nextInt(maxNumOfInstance); return instanceList.get(indexOfInstance); } public void test() { System.out.println(nameList.get(indexOfInstance)); } } /******************************************************************************************/
我們寫一個測試程序看看結果就知道了：
public class SingletonTest { public static void main(String[] args) { int num = 5; for(int i = 0; i < num; i++) { Singleton instance = Singleton.getInstance(); instance.test(); } } }
這樣我們就實現了用單例模式產生固定數量的實例。測試結果輸出如下：
instance1
instance1
instance2
instance3
instance3
5. 單例模式的優缺點
優點：
1.在內存中只存在一個實例，所有減小誒村的開支，特別是一個對象需要頻繁的創建和銷毀時，而且創建或銷毀時性能又無法優化，單例模式的優勢就非常明顯；
2.減小了系統的性能開銷，當一個對象的產生需要比較多的資源時，如讀取配置、產生依賴對象時，則可以通過在應用啟動時直接產生一個單例對象，然后用永久駐留在內存中。
3.可以避免對資源的多重占用，如寫文件動作，由于只有一個實例存在內存中，避免對同一個資源文件的同時寫操作。
4.單例模式可以在系統設置全局的訪問點，優化和共享資源訪問，例如可以設計一個單例類，負責所有數據表的映射處理。
缺點：
1.單例模式沒有接口，擴展很難，若要擴展，除了修改代碼基本上沒有第二種途徑可以實現
2.單例模式對測試是不利的，在并行開發環境中，如果單例模式沒有完成，是不能進行測試的。
6. 單例模式的應用場景
在一個系統中，要求一個類僅有一個對象時，可以采用單例模式：
1. 要求生成唯一序列號的環境。
2. 在整個項目中需要一個共享訪問點或共享數據，例如一個web頁面上的訪問量，可以不用每次刷新都把記錄存到數據庫，但是要確保單例線程安全。
3. 創建一個對象需要消耗的資源過多，如要訪問IO和數據庫等資源。
4. 需要定義大量的靜態常量和靜態方法（如工具類）的環境，可以采用單例模式，當然也可以直接聲明為static方式。
spring中也用到了單例模式，每個Bean默認就是單例的，這樣做的有點事Spring容器可以管理這些Bean的生命期，決定什么時候創建出來，什么時候銷毀，銷毀的時候要如何處理等等。如果采用非單例模式（Prototype類型），則Bean初始化后的管理交給J2EE容器了，Spring容器就不在跟蹤管理Bean的生命周期了。
文章列表
留言列表
