JAVA设计模式——Singleton单例

本文的设计模式来源于github上人气比较高的iluwatar/java-design-patterns，包含了23种经典设计模式和很多实际应用中涉及到的模式。

文中涉及到的示例代码可能只抽取了部分进行讲解，如果有本地模拟需求，请参考源码。

“设计模式是程序员在设计应用程序时能够解决场景问题的最佳实现，通过经测试和验证的开发范例，可以提高开发效率。重用设计模式，可有效避免可能因细微问题而导致的重大隐患，同时有助于提升熟悉设计模式的编码人员和架构师对代码的可读性。”

作用

单例模式（Singleton），保证了一个类只会存在一个支持全局访问的实例。

适用性

以下场景下可以考虑使用单例模式：

1. 一个类需要保证只有一个实例，同时这个实例需要为其他调用者提供统一的调用方式，如getInstance；
2. 当一个实例需要通过子类进行扩展时，其调用者能够直接使用扩展后的实例而不用修改代码；

典型用例

1. 日志记录类
2. 数据库连接管理
3. 文件管理器

代码示例

本文提供常见的几种实现方式，均属于线程安全的。

饿汉式

不论该对象会不会被使用，均进行实例化。缺陷：对于系统中不会被使用的单例，造成了一定的内存浪费。

public final class IvoryTower {
    private IvoryTower() {
    }
    private static final IvoryTower INSTANCE = new IvoryTower();
    public static IvoryTower getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

懒汉式

首次调用时才进行实例化。缺陷：每次调用均需要检查线程同步，一定程度上降低了性能。

public final class ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower {
    private static ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower instance;
    private ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower() {
        if (instance == null) {
            instance = this;
        } else {
            throw new IllegalStateException("Already initialized.");
        }
    }
    // 每次实例请求都会进行线程同步锁
    public static synchronized ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower();
        }
        return instance;
    }
}

静态内部类实例化

通过静态内部类完成实例化过程，保证在首次调用时才进行实例化的同时也属于线程安全的。

public final class InitOnDemandHolderIdiom {
    private InitOnDemandHolderIdiom() {
    }
    public static InitOnDemandHolderIdiom getInstance() {
        return HelperHolder.INSTANCE;
    }
    // 注意：静态内部类的加载是在首次使用时才触发。
    private static class HelperHolder {
        private static final InitOnDemandHolderIdiom INSTANCE = new InitOnDemandHolderIdiom();
    }
}

双重检查锁

引用类如果为空时才进行线程同步判断，解决了懒汉式的多余线程同步判断问题。

public final class ThreadSafeDoubleCheckLocking {
    private static volatile ThreadSafeDoubleCheckLocking instance;
    private ThreadSafeDoubleCheckLocking() {
        if (instance != null) {
            throw new IllegalStateException("Already initialized.");
        }
    }
    public static ThreadSafeDoubleCheckLocking getInstance() {
        ThreadSafeDoubleCheckLocking result = instance;
        if (result == null) {
            synchronized (ThreadSafeDoubleCheckLocking.class) {
                result = instance;
                if (result == null) {
                    instance = result = new ThreadSafeDoubleCheckLocking();
                }
            }
        }
        return result;
    }
}

枚举实现

枚举中定义方法，要求枚举构造函数必须是私有化的，同时枚举实例一定是static final的，因此可利用这些特性实现单例。该方式实际使用的没有前三种多，但是不失为一个更简洁的单例实现方式。

public enum EnumIvoryTower {
    INSTANCE;
    @Override
    public String toString() {
        return getDeclaringClass().getCanonicalName() + "@" + hashCode();
    }
}

类图