认识单例模式

1、单例模式的功能

单例模式是用来保证这个类在运行期间只会被创建一个类实例，另外，单例模式还提供了一个全局唯一访问这个类实例的访问点，就是getInstance方法。不管采用懒汉式还是饿汉式的实现方式，这个全局访问点是一样的。

对于单例模式而言，不管采用何种实现方式，它都是只关心类实例的创建问题，并不关心具体的业务功能。

2、单例模式的范围

也就是在多大范围内是单例呢？

观察上面的实现可以知道，目前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ClassLoader装载饿汉式实现单例类的时候就会创建一个类的实例。

这就意味着如果一个机器上有多个虚拟机，那么每个虚拟机里面都应该有一个这个类的实例，但是整个机器上就有很多个实例了。

3、单例模式的命名

一般建议单例模式的方法命名为getInstance()，这个方法的返回类型肯定是单例类的类型了。getInstance()方法可以有参数，这些参数可能是创建类实例所需要的参数，当然，大多数情况下是不需要的。

单例模式的名称有单例、单件、单体等，只是翻译的不同，都是指的同一个模式。

懒汉式和饿汉式实现（1）

前面提到了单例模式有两种典型的解决方案，一种叫懒汉式，另一种叫饿汉式，这两种方式究竟是如何实现的，下面分别来看看。为了看得更清晰一点，只是实现基本的单例控制部分，不再提供示例的属性和方法了；而且暂时也不去考虑线程安全的问题，这个问题在后面将会重点分析。

1、第一种方案--懒汉式

1）私有化构造方法

要想在运行期间控制某一个类的实例只有一个，首要的任务就是要控制创建实例的地方，也就是不能随随便便就可以创建类实例，否则就无法控制所创建的实例个数了。现在是让使用类的地方来创建类实例，也就是在类外部来创建类实例。

那么怎样才能让类的外部不能创建一个类的实例呢？很简单，私有化构造方法就可以了。示例代码如下：

private Singleton(){
}

2）提供获取实例的方法

构造方法被私有化了，外部使用这个类的地方不干了，外部创建不了类实例就没有办法调用这个对象的方法，就实现不了功能调用。这可不行，经过思考，单例模式决定让这个类提供一个方法来返回类的实例，方便外面使用。示例代码如下：

public Singleton getInstance(){
}

3）把获取实例的方法变成静态的

又有新的问题了，获取对象实例的这个方法是一个实例方法，也就是说客户端要想调用这个方法，需要先得到类实例，然后才可以调用，可是这个方法就是为了得到类实例，这样一来不就形成一个死循环了吗？这也是典型的"先有鸡还是先有蛋的问题"。

解决方法也很简单，在方法上加上static，这样就可以直接通过类来调用这个方法，而不需要先得到类实例。示例代码如下：

public static Singleton getInstance(){
}

4）定义存储实例的属性

方法定义好了，那么方法内部如何实现呢？如果直接创建实例并返回，这样行不行呢？示例代码如下：

 

public static Singleton getInstance(){
   return new Singleton();
}

当然不行了，如果每次客户端访问都这样直接new一个实例，那肯定会有多个实例，根本实现不了单例的功能。

怎么办呢？单例模式想到了一个办法，那就是用一个属性来记录自己创建好的类实例。当第一次创建后，就把这个实例保存下来，以后就可以复用这个实例，而不是重复创建对象实例了。示例代码如下：

private Singleton instance = null;

5）把这个属性也定义成静态的

这个属性变量应该在什么地方用呢？肯定是第一次创建类实例的地方，也就是在前面那个返回对象实例的静态方法里面使用。

由于要在一个静态方法里面使用，所以这个属性被迫成为一个类变量，要强制加上static，也就是说，这里并没有使用static的特性。示例代码如下：

 

private static Singleton instance = null;

6）实现控制实例的创建

现在应该到getInstance方法里面实现控制实例的创建了。控制的方式很简单，只要先判断一下是否已经创建过实例就可以了。如何判断？那就看存放实例的属性是否有值，如果有值，说明已经创建过了，如果没有值，则应该创建一个。示例代码如下：

public static Singleton getInstance(){
    //先判断instance是否有值
    if(instance == null){
         //如果没有值，说明还没有创建过实例，那就创建一个
         //并把这个实例设置给instance
        instance = new Singleton ();
    }
     //如果有值，或者是创建了值，那就直接使用
    return instance;
}

7）完整的实现

至此，成功解决了在运行期间，控制某个类只被创建一个实例的要求。完整的代码如下。为了大家好理解，用注释标示了代码的先后顺序。

      public class Singleton {
    //4：定义一个变量来存储创建好的类实例
    //5：因为这个变量要在静态方法中使用，所以需要加上static修饰
    private static Singleton instance = null;
    //1：私有化构造方法，好在内部控制创建实例的数目
    private Singleton(){
    }
    //2：定义一个方法来为客户端提供类实例
    //3：这个方法需要定义成类方法，也就是要加static
    public static Singleton getInstance(){
        //6：判断存储实例的变量是否有值
        if(instance == null){
            //6.1：如果没有，就创建一个类实例，并把值赋给存储类实例的变量
            instance = new Singleton();
        }
        //6.2：如果有值，那就直接使用
        return instance;
    }
}

懒汉式和饿汉式实现（2）

1、第二种方案--饿汉式

这种方案和第一种方案相比，前面的私有化构造方法，提供静态的getInstance方法来返回实例等步骤都一样。差别在于如何实现getInstance方法，在这个地方，单例模式还想到了另外一种方法来实现getInstance方法。

不就是要控制只创造一个实例吗？那么有没有什么现成的解决办法呢？很快，单例模式回忆起了Java中static的特性。

static变量在类装载的时候进行初始化。

多个实例的static变量会共享同一块内存区域。

这就意味着，在Java中，static变量只会被初始化一次，就是在类装载的时候，而且多个实例都会共享这个内存空间，这不就是单例模式要实现的功能吗？真是得来全不费功夫啊。根据这些知识，写出了第二种解决方案的代码。

public class Singleton {
    //4：定义一个静态变量来存储创建好的类实例
    //直接在这里创建类实例，只能创建一次
    private static Singleton instance = new Singleton();
    //1：私有化构造方法，可以在内部控制创建实例的数目
    private Singleton(){
    }
    //2：定义一个方法来为客户端提供类实例
    //3：这个方法需要定义成类方法，也就是要加static
    public static Singleton getInstance(){
        //5：直接使用已经创建好的实例
        return instance;
    }
}

注意一下，这个方案用到了static的特性，而第一个方案却没有用到，因此两个方案的步骤会有一些不同。在第一个方案里面，强制加上static也是算作一步的，而在这个方案里面，是主动加上static，就不能单独算作一步了。

所以在查看上面两种方案代码的时候，仔细看看编号。顺着编号的顺序看，可以体会出两种方案的不一样。

不管是采用哪一种方式，在运行期间，都只会生成一个实例，而访问这些类的一个全局访问点，就是那个静态的getInstance方法。

3、单例模式的调用顺序示意图

由于单例模式有两种实现方式，所以它的调用顺序也分成两种。

先来看懒汉式的调用顺序，如图5.2所示。

（点击查看大图）图5.2  懒汉式调用顺序示意图

饿汉式的调用顺序如图5.3所示。

 

（点击查看大图）图5.3  饿汉式调用顺序示意图

延迟加载的思想

单例模式的懒汉式实现方式体现了延迟加载的思想。什么是延迟加载呢？

通俗点说，延迟加载就是一开始不要加载资源或者数据，一直等，等到马上就要使用这个资源或者数据了，躲不过去了才加载，所以也称Lazy Load，不是懒惰啊，是"延迟加载"，这在实际开发中是一种很常见的思想，尽可能地节约资源。

体现在什么地方呢？请看如下代码：

public static Singleton getInstance(){

    if(instance == null){
        instance = new Singleton();
    }
    return instance;

}

缓存的思想

单例模式的懒汉式实现还体现了缓存的思想，缓存也是实际开发中常见的功能。

简单讲就是，当某些资源或者数据被频繁地使用，而这些资源或数据存储在系统外部，比如数据库、硬盘文件等，那么每次操作这些数据的时候都得从数据库或者硬盘上去获取，速度会很慢，将造成性能问题。

一个简单的解决方法就是：把这些数据缓存到内存里面，每次操作的时候，先到内存里面找，看有没有这些数据，如果有，就直接使用，如果没有就获取它，并设置到缓存中，下一次访问的时候就可以直接从内存中获取了，从而节省大量的时间。当然，缓存是一种典型的空间换时间的方案。

缓存在单例模式的实现中是怎样体现的呢？

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

    }
    public static Singleton getInstance(){
        //判断存储实例的变量是否有值
        if(instance == null){
            //如果没有，就创建一个类实例，并把值赋给存储类实例的变量
            instance = new Singleton();
        }
        //如果有值，那就直接使用
        return instance;
    }
}

Java中缓存的基本实现

下面来看看在Java开发中缓存的基本实现，在Java开发中最常见的一种实现缓存的方式就是使用Map，基本步骤如下。

（1）先到缓存里面查找，看看是否存在需要使用的数据。

（2）如果没有找到，那么就创建一个满足要求的数据，然后把这个数据设置到缓存中，以备下次使用。如果找到了相应的数据，或者是创建了相应的数据，那就直接使用这个数据。

还是看看示例吧。示例代码如下：

/**
 * Java中缓存的基本实现示例
 */
public class JavaCache {
    /**
     * 缓存数据的容器，定义成Map是方便访问，直接根据key就可以获取Value了
     * key选用String是为了简单，方便演示
     */
    private Map<String,Object> map = new HashMap<String,Object>();
    /**
     * 从缓存中获取值
     * @param key 设置时候的key值
     * @return key对应的Value值
     */
    public Object getValue(String key){
        //先从缓存里面取值
        Object obj = map.get(key);
        //判断缓存里面是否有值
        if(obj == null){
            //如果没有，那么就去获取相应的数据，比如读取数据库或者文件
            //这里只是演示，所以直接写个假的值
            obj = key+",value";
            //把获取的值设置回到缓存里面
            map.put(key, obj);
        }
        //如果有值了，就直接返回使用
        return obj;
    }
}

这里只是缓存的基本实现，还有很多功能都没有考虑，比如缓存的清除，缓存的同步等。当然，Java的缓存还有很多实现方式，也是非常复杂的，现在有很多专业的缓存框架。更多缓存的知识，这里就不再讨论了。

利用缓存来实现单例模式

应用Java缓存的知识，可以变相实现Singleton模式，也算是一个模拟实现吧。每次都先从缓存中取值。只要创建一次对象实例后，就设置了缓存的值，那么下次就不用再创建了。

虽然不是很标准的做法，但是同样可以实现单例模式的功能为了简单，先不去考虑多线程的问题示例代码如下：

/**
 * 使用缓存来模拟实现单例
 */
public class Singleton {
    /**
     * 定义一个默认的key值，用来标识在缓存中的存放
     */
    private final static String DEFAULT_KEY = "One";
    /**
     * 缓存实例的容器
     */
    private static Map<String,Singleton> map =
                                   new HashMap<String,Singleton>();
    /**
     * 私有化构造方法
     */
    private Singleton(){
        //
    }
    public static Singleton getInstance(){
        //先从缓存中获取
        Singleton instance = (Singleton)map.get(DEFAULT_KEY);
        //如果没有，就新建一个，然后设置回缓存中
        if(instance==null){
            instance = new Singleton();
            map.put(DEFAULT_KEY, instance);
        }
        //如果有就直接使用
        return instance;
    }
}

是不是也能实现单例所要求的功能呢？前面讲过，实现模式的方式有很多种，并不是只有模式的参考实现所实现的方式，上面这种也能实现单例所要求的功能，只不过实现比较麻烦，不是太好而已，但在后面扩展单例模式的时候会有用。

另外，前面也讲过，模式是经验的积累，模式的参考实现并不一定是最优的，对于单例模式，后面将会给大家一些更好的实现方式。

单例模式的优缺点

1、时间和空间

比较上面两种写法：懒汉式是典型的时间换空间，也就是每次获取实例都会进行判断，看是否需要创建实例，浪费判断的时间。当然，如果一直没有人使用的话，那就不会创建实例，则节约内存空间。

饿汉式是典型的空间换时间，当类装载的时候就会创建类实例，不管你用不用，先创建出来，然后每次调用的时候，就不需要再判断了，节省了运行时间。

2、线程安全

（1）从线程安全性上讲，不加同步的懒汉式是线程不安全的，比如，有两个线程，一个是线程A，一个是线程B，它们同时调用getInstance方法，那就可能导致并发问题。如下示例：

public static  Singleton getInstance(){
    if(instance == null){



        instance = new Singleton();
    }
    return instance;
}

程序继续运行，两个线程都向前走了一步，如下：

public static  Singleton getInstance(){
    if(instance == null){









        instance = new Singleton();
    }
    return instance;
}

可能有些朋友会觉得文字描述还是不够直观，再来画个图说明一下，如图5.4所示。

（点击查看大图）图5.4  懒汉式单例的线程问题示意图

通过图5.4的分解描述，明显地看出，当A、B线程并发的情况下，会创建出两个实例来，也就是单例的控制在并发情况下失效了。

（2）饿汉式是线程安全的，因为虚拟机保证只会装载一次，在装载类的时候是不会发生并发的。

（3）如何实现懒汉式的线程安全呢？

当然懒汉式也是可以实现线程安全的，只要加上synchronized即可，如下：

public static synchronized Singleton getInstance(){}

但是这样一来，会降低整个访问的速度，而且每次都要判断。那么有没有更好的方式来实现呢？

（4）双重检查加锁

可以使用"双重检查加锁"的方式来实现，就可以既实现线程安全，又能够使性能不受到很大的影响。那么什么是"双重检查加锁"机制呢？

所谓双重检查加锁机制，指的是：并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法过后，先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块，这是第一重检查。进入同步块过后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。这样一来，就只需要同步一次了，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。

双重检查加锁机制的实现会使用一个关键字volatile，它的意思是：被volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，所有对该变量的读写都是直接操作共享内存,从而确保多个线程能正确的处理该变量。

看看代码可能会更加清楚些。示例代码如下：

public class Singleton {
    /**
     * 对保存实例的变量添加volatile的修饰
     */
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton(){
    }
    public static  Singleton getInstance(){
        //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
        if(instance == null){
            //同步块，线程安全地创建实例
            synchronized(Singleton.class){
                //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正地创建实例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种实现方式可以实现既线程安全地创建实例，而又不会对性能造成太大的影响。它只是在第一次创建实例的时候同步，以后就不需要同步了，从而加快了运行速度。

在Java中一种更好的单例实现方式在Java中一种更好的单例实现方式

根据上面的分析，常见的两种单例实现方式都存在小小的缺陷，那么有没有一种方案，既能够实现延迟加载，又能够实现线程安全呢？

还真有高人想到这样的解决方案了，这个解决方案被称为Lazy initialization holder class模式，这个模式综合使用了Java的类级内部类和多线程缺省同步锁的知识，很巧妙地同时实现了延迟加载和线程安全。

1、相应的基础知识

先简单地看看类级内部类相关的知识。

什么是类级内部类？

简单点说，类级内部类指的是，有static修饰的成员式内部类。如果没有static修饰的成员式内部类被称为对象级内部类。

类级内部类相当于其外部类的static成分，它的对象与外部类对象间不存在依赖关系，因此可直接创建。而对象级内部类的实例，是绑定在外部对象实例中的。

类级内部类中，可以定义静态的方法。在静态方法中只能够引用外部类中的静态成员方法或者成员变量。

类级内部类相当于其外部类的成员，只有在第一次被使用的时候才会被装载。

再来看看多线程缺省同步锁的知识。

大家都知道，在多线程开发中，为了解决并发问题，主要是通过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。但是在某些情况中，JVM已经隐含地为您执行了同步，这些情况下就不用自己再来进行同步控制了。这些情况包括：

由静态初始化器（在静态字段上或 static{} 块中的初始化器）初始化数据时

访问 final 字段时

在创建线程之前创建对象时

线程可以看见它将要处理的对象时

2、解决方案的思路

要想很简单地实现线程安全，可以采用静态初始化器的方式，它可以由JVM来保证线程的安全性。比如前面的饿汉式实现方式。但是这样一来，不是会浪费一定的空间吗？因为这种实现方式，会在类装载的时候就初始化对象，不管你需不需要。

如果现在有一种方法能够让类装载的时候不去初始化对象，那不就解决问题了？一种可行的方式就是采用类级内部类，在这个类级内部类里面去创建对象实例。这样一来，只要不使用到这个类级内部类，那就不会创建对象实例，从而同时实现延迟加载和线程安全。

看看代码示例可能会更清晰一些，示例代码如下：

public class Singleton {
    /**
     * 类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例
     * 没有绑定关系，而且只有被调用到时才会装载，从而实现了延迟加载
     */
    private static class SingletonHolder{
        /**
         * 静态初始化器，由JVM来保证线程安全
         */
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
    /**
     * 私有化构造方法
     */
    private Singleton(){
    }
    public static  Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

仔细想想，是不是很巧妙呢！

当getInstance方法第一次被调用的时候，它第一次读取SingletonHolder.instance，导致SingletonHolder类得到初始化；而这个类在装载并被初始化的时候，会初始化它的静态域，从而创建Singleton的实例，由于是静态的域，因此只会在虚拟机装载类的时候初始化一次，并由虚拟机来保证它的线程安全性。

这个模式的优势在于，getInstance方法并没有被同步，并且只是执行一个域的访问，因此延迟初始化并没有增加任何访问成本。

 

单例和枚举

按照《高效Java 第二版》中的说法：单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

为了理解这个观点，先来了解一点相关的枚举知识，这里只是强化和总结一下枚举的一些重要观点，更多基本的枚举的使用，请参看Java编程入门资料。

Java的枚举类型实质上是功能齐全的类，因此可以有自己的属性和方法。

Java枚举类型的基本思想是通过公有的静态final域为每个枚举常量导出实例的类。

从某个角度讲，枚举是单例的泛型化，本质上是单元素的枚举。

用枚举来实现单例非常简单，只需要编写一个包含单个元素的枚举类型即可。示例代码如下：

/**
 * 使用枚举来实现单例模式的示例
 */
public enum Singleton {
    /**
     * 定义一个枚举的元素,它就代表了Singleton的一个实例
     */
    uniqueInstance;

    /**
     * 示意方法，单例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation(){
        //功能处理
    }
}

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化的机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

 

思考单例模式

1、单例模式的本质

单例模式的本质：控制实例数目。

单例模式是为了控制在运行期间，某些类的实例数目只能有一个。可能有人就会思考，能不能控制实例数目为2个，3个，或者是任意多个呢？目的都是一样的，节约资源啊，有些时候单个实例不能满足实际的需要，会忙不过来，根据测算，3个实例刚刚好。也就是说，现在要控制实例数目为3个，怎么办呢？

其实思路很简单，就是利用上面通过Map来缓存实现单例的示例，进行变形，一个Map可以缓存任意多个实例。新的问题是，Map中有多个实例，但是客户端调用的时候，到底返回哪一个实例呢，也就是实例的调度问题，我们只是想来展示设计模式，对于调度算法就不去深究了，做个最简单的循环返回就好可以了。示例代码如下：

/**
* 简单演示如何扩展单例模式，控制实例数目为3个
*/
public class OneExtend {
    /**
      * 定义一个缺省的key值的前缀
      */
    private final static String DEFAULT_PREKEY = "Cache";
    /**
      * 缓存实例的容器
      */
    private static Map<String,OneExtend> map =
                             new HashMap<String,OneExtend>();
    /**
      * 用来记录当前正在使用第几个实例，到了控制的最大数目，就返回从1开始
      */
    private static int num = 1;
    /**
      * 定义控制实例的最大数目
      */
    private final static int NUM_MAX = 3;
    private OneExtend(){}
    public static OneExtend getInstance(){
        String key = DEFAULT_PREKEY+num;
        OneExtend oneExtend = map.get(key);
        if(oneExtend==null){
            oneExtend = new OneExtend();
            map.put(key, oneExtend);
        }
        //把当前实例的序号加1
        num++;
        if(num > NUM_MAX){
            //如果实例的序号已经达到最大数目了，那就重复从1开始获取
            num = 1;
        }
        return oneExtend;
    }

    public static void main(String[] args) {
        OneExtend t1 = getInstance ();
        OneExtend t2 = getInstance ();
        OneExtend t3 = getInstance ();
        OneExtend t4 = getInstance ();
        OneExtend t5 = getInstance ();
        OneExtend t6 = getInstance ();

        System.out.println("t1=="+t1);
        System.out.println("t2=="+t2);
        System.out.println("t3=="+t3);
        System.out.println("t4=="+t4);
        System.out.println("t5=="+t5);
        System.out.println("t6=="+t6);
    }
}

测试一下，看看结果，如下：

t1==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@6b97fd
t2==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@1c78e57
t3==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@5224ee
t4==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@6b97fd
t5==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@1c78e57
t6==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@5224ee

第一个实例和第四个相同，第二个与第五个相同，第三个与第六个相同。也就是说一共只有三个实例，而且调度算法是从第一个依次取到第三个，然后回来继续从第一个开始取到第三个。

当然在这里我们不去考虑复杂的调度情况，也不去考虑何时应该创建新实例的问题。

2、何时选用单例模式

建议在如下情况时，选用单例模式。

当需要控制一个类的实例只能有一个，而且客户只能从一个全局访问点访问它时，可以选用单例模式，这些功能恰好是单例模式要解决的问题。