设计模式：单例模式

Posted 2020-07-22 空明

考虑这样一个应用，读取配置文件的内容。很多应用项目，都有与应用相关的配置文件，这些配置文件很多是由项目开发人员自定义的，在里面定义一些应用重要的参数数据。当然，在实际的项目中，这种配置文件多数采用 xml 格式，也有采用 properties 格式的，我们这里假设创建了一个名为 AppConfig 的类，它专门用来读取配置文件内的信息。客户端通过 new 一个 AppConfig 的实例来得到一个操作配置文件内容的对象。如果在系统运行中，有很多地方都需要使用配置文件的内容，也就是说很多地方都需要创建 AppConfig 对象的实例。换句话说，在系统运行期间，系统中会存在很多个 AppConfig 的实例对象，这里读者有没有发现有什么问题存在？当然有问题了，试想一下，每一个 AppConfig 实例对象里面都封装着配置文件的内容，系统中有多个 AppConfig 实例对象，也就是说系统中会同时存在多份配置文件的内容，这样会严重浪费内存资源。如果配置文件内容越多，对于系统资源的浪费程度就越大。事实上，对于 AppConfig 这样的类，在运行期间只需要一个实例对象就足够了。

从专业化来说，单例模式是一种对象创建模式，它用于产生一个对象的具体实例，它可以确保系统中一个类只产生一个实例。Java 里面实现的单例是一个虚拟机的范围，因为装载类的功能是虚拟机的，所以一个虚拟机在通过自己的 ClassLoad 装载实现单例类的时候就会创建一个类的实例。在 Java 语言中，这样的行为能带来两大好处：

1. 对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级对象而言，是非常可观的一笔系统开销；

2. 由于 new 操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻 GC 压力，缩短 GC 停顿时间。

因此对于系统的关键组件和被频繁使用的对象，使用单例模式可以有效地改善系统的性能。单例模式的核心在于通过一个接口返回唯一的对象实例。首要的问题就是要把创建实例的权限收回来，让类自身来负责自己类的实例的创建工作，然后由这个类来提供外部可以访问这个类实例的方法。

1、单例模式的基本实现

首先单例类必须要有一个 private 访问级别的构造函数，只有这样，才能确保单例不会在系统中的其他代码内被实例化，；其次，instance 成员变量和 getInstance 方法必须是 static 的。

public class Singleton {

　　 private static Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInsatnce() {
        return instance;
    }
}

上述代码唯一的不足是无法对 instance 实例做延时加载，例如单例的创建过程很慢，而由于 instance 成员变量是 static 定义的，因此在 JVM 加载单例类时，单例对象就会被建立，如果此时这个单例类在系统中还扮演其他角色，那么在任何使用这个单例类的地方都会初始化这个单例变量，而不管是否会被用到。

2、延迟加载的单例模式

为了解决这类问题，需要引入延迟加载机制

public class Singleton {
    
    private static Singleton instance=null;
    
    private Singleton (){}

    public static synchronized Singleton getInstance() {
     if (instance == null) {
         instance = new Singleton();
     }
     return instance;
    }
}

首先对于静态成员变量 instance 初始化赋值 null，确保系统启动时没有额外的负载；其次，在 getInstance() 工厂方法中，判断当前单例是否已经存在，若存在则返回，不存在则再建立单例。这里尤其要注意的是，getInstance() 方法必须是同步的，否则在多线程环境下，当线程 1 正新建单例时，完成赋值操作前，线程 2 可能判断 instance 为 null，故线程 2 也将启动新建单例的程序，而导致多个实例被创建，故同步关键字是必须的。由于引入了同步关键字，导致多线程环境下耗时明显增加。

3、静态内部类的单例模式

解决同步关键字降低系统性能的缺陷，可以使用静态内部类，这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

public class Singleton {  
    
    private Singleton (){}
    
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    } 
    
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE; 
    }  
}

当 StaticSingleton 被加载时，其内部类并不会被初始化，故可以确保当 StaticSingleton 类被载入 JVM 时，不会初始化单例类，而当 getInstance() 方法调用时，才会加载 SingletonHolder，从而初始化 instance。同时，由于实例的建立是时在类加载时完成，故天生对多线程友好，getInstance() 方法也无需使用同步关键字。

本文主要内容来自链接https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-Singleton/