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單例模式的定義與特點(diǎn)

關(guān)于單例模式

在有些系統(tǒng)中，為了節(jié)省內(nèi)存資源、保證數(shù)據(jù)內(nèi)容的一致性，對(duì)某些類要求只能創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例，這就是所謂的單例模式。

單例（Singleton）模式的定義：指一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，且該類能自行創(chuàng)建這個(gè)實(shí)例的一種模式。例如，Windows 中只能打開一個(gè)任務(wù)管理器，這樣可以避免因打開多個(gè)任務(wù)管理器窗口而造成內(nèi)存資源的浪費(fèi)，或出現(xiàn)各個(gè)窗口顯示內(nèi)容的不一致等錯(cuò)誤。

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，還有 Windows 的回收站、操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)、多線程中的線程池、顯卡的驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο蟆⒋蛴C(jī)的后臺(tái)處理服務(wù)、應(yīng)用程序的日志對(duì)象、數(shù)據(jù)庫(kù)的連接池、網(wǎng)站的計(jì)數(shù)器、Web 應(yīng)用的配置對(duì)象、應(yīng)用程序中的對(duì)話框、系統(tǒng)中的緩存等常常被設(shè)計(jì)成單例。

單例模式在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用也非常廣泛，例如公司 CEO、部門經(jīng)理等都屬于單例模型。J2EE 標(biāo)準(zhǔn)中的ServletContext 和 ServletContextConfig、Spring 框架應(yīng)用中的 ApplicationContext、數(shù)據(jù)庫(kù)中的連接池等也都是單例模式。

單例的特點(diǎn)

1. 1. 單例類只有一個(gè)實(shí)例對(duì)象；
   2. 該單例對(duì)象必須由單例類自行創(chuàng)建；
   3. 單例類對(duì)外提供一個(gè)訪問該單例的全局訪問點(diǎn)。

單例模式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

單例模式的優(yōu)點(diǎn)

• • 單例模式可以保證內(nèi)存里只有一個(gè)實(shí)例，減少了內(nèi)存的開銷。
  • 可以避免對(duì)資源的多重占用。
  • 單例模式設(shè)置全局訪問點(diǎn)，可以優(yōu)化和共享資源的訪問。

單例模式的缺點(diǎn)

• • 單例模式一般沒有接口，擴(kuò)展困難。如果要擴(kuò)展，則除了修改原來的代碼，沒有第二種途徑，違背開閉原則。
  • 在并發(fā)測(cè)試中，單例模式不利于代碼調(diào)試。在調(diào)試過程中，如果單例中的代碼沒有執(zhí)行完，也不能模擬生成一個(gè)新的對(duì)象。
  • 單例模式的功能代碼通常寫在一個(gè)類中，如果功能設(shè)計(jì)不合理，則很容易違背單一職責(zé)原則。

單例模式的應(yīng)用場(chǎng)景

對(duì)于 Java 來說，單例模式可以保證在一個(gè) JVM 中只存在單一實(shí)例。單例模式的應(yīng)用場(chǎng)景主要有以下幾個(gè)方面。

• 需要頻繁創(chuàng)建的一些類，使用單例可以降低系統(tǒng)的內(nèi)存壓力，減少 GC。
• 某類只要求生成一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，如一個(gè)班中的班長(zhǎng)、每個(gè)人的身份證號(hào)等。
• 某些類創(chuàng)建實(shí)例時(shí)占用資源較多，或?qū)嵗臅r(shí)較長(zhǎng)，且經(jīng)常使用。
• 某類需要頻繁實(shí)例化，而創(chuàng)建的對(duì)象又頻繁被銷毀的時(shí)候，如多線程的線程池、網(wǎng)絡(luò)連接池等。
• 頻繁訪問數(shù)據(jù)庫(kù)或文件的對(duì)象。
• 對(duì)于一些控制硬件級(jí)別的操作，或者從系統(tǒng)上來講應(yīng)當(dāng)是單一控制邏輯的操作，如果有多個(gè)實(shí)例，則系統(tǒng)會(huì)完全亂套。
• 當(dāng)對(duì)象需要被共享的場(chǎng)合。由于單例模式只允許創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，共享該對(duì)象可以節(jié)省內(nèi)存，并加快對(duì)象訪問速度。如 Web 中的配置對(duì)象、數(shù)據(jù)庫(kù)的連接池等。

單例模式的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

單例模式的結(jié)構(gòu)

單例模式的主要角色如下。

• 單例類：包含一個(gè)實(shí)例且能自行創(chuàng)建這個(gè)實(shí)例的類。
• 訪問類：使用單例的類。

單例模式的實(shí)現(xiàn)，一般有兩種方式：餓漢（饑漢）與懶漢，兩種各有特色。

單例模式的實(shí)現(xiàn)：懶漢式單例

該模式的特點(diǎn)是類加載時(shí)沒有生成單例，只有當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用 getlnstance 方法時(shí)才去創(chuàng)建這個(gè)單例。代碼如下：

public class LazySingleton {
    private static volatile LazySingleton instance = null;    //保證 instance 在所有線程中同步
    private LazySingleton() {
    }    //private 避免類在外部被實(shí)例化
    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        //getInstance 方法前加同步
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

注：如果編寫的是多線程程序，則不要?jiǎng)h除上例代碼中的關(guān)鍵字 volatile 和 synchronized，否則將存在線程非安全的問題。如果不刪除這兩個(gè)關(guān)鍵字就能保證線程安全，但是每次訪問時(shí)都要同步，會(huì)影響性能，且消耗更多的資源，這是懶漢式單例的缺點(diǎn)。

單例模式的實(shí)現(xiàn)：饑漢式單例

該模式的特點(diǎn)是類一旦加載就創(chuàng)建一個(gè)單例，保證在調(diào)用 getInstance 方法之前單例已經(jīng)存在了。

public class HungrySingleton {
    private static final HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
    private HungrySingleton() {
    }
    public static HungrySingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

餓漢式單例在類創(chuàng)建的同時(shí)就已經(jīng)創(chuàng)建好一個(gè)靜態(tài)的對(duì)象供系統(tǒng)使用，以后不再改變，所以是線程安全的，可以直接用于多線程而不會(huì)出現(xiàn)問題。

單例模式的思考與擴(kuò)展

單例模式可根據(jù)實(shí)際需求擴(kuò)展為有限的多例（Multitcm）模式，這種模式可生成有限個(gè)實(shí)例并保存在 ArrayList 中，客戶需要時(shí)可隨機(jī)獲取。