设计模式之单例模式

一.模式动机

对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，例如，一个系统中可以存在多个打印任务，但是只能有一个正在工作的任务；一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统；一个系统只能有一个计时工具或ID（序号）生成器。

如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。

一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

二.模式定义

单例模式(Singleton Pattern)：单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。

单例模式的要点有三个：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。

三.模式结构

单例模式包含如下角色：

Singleton：单例

四.代码示例

单例模式-饿汉模式

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，不再改变，是线程安全的。

package com.lqs.singleton;

public class Singleton {// 单例设计模式
    private static final Singleton singleton = new Singleton();

    // 构造方法私有化
    private Singleton() {}

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

单例模式-懒汉模式（线程不安全）

① 在getInstance2方法上加同步

package com.lqs.singleton;

public class Singleton2 {// 懒加载单例模式
    private Singleton2() {}
    private static Singleton2 singleton2 = null;
    public synchronized static Singleton2 getInstance2() {// 防止高并发创建多个实例
        if (singleton2 == null) {
            singleton2 = new Singleton2();
        }
        return singleton2;
    }
}

② 双重锁鉴定

package com.lqs.singleton;

/**
 * @author lqs
 * @date 2023/1/10 15:55
 */
public class Singleton { //懒汉单例模式
    private static Singleton SINGLETON = null; // 唯一实例

    // 构造方法私有化
    private Singleton() {}
    // 创建实例静态方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (SINGLETON == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (SINGLETON == null) {
                    SINGLETON = new Singleton();
                }
            }
        }
        return SINGLETON;
    }
}

③ 静态内部类（在使用时才会被加载）

package com.lqs.singleton;

/**
 * @author lqs
 * @date 2023/1/10 16:02
 */
public class Singleton { // 静态内部类解决单例懒汉模式的线程安全问题
    public static class LazyLoad {
        // 唯一实例对象
        public static final Singleton SINGLETON = new Singleton();
    }

    // 构造方法私有化
    private Singleton(){}
    // 静态方法获取实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return LazyLoad.SINGLETON;
    }
}

五.模式分析

单例模式的目的是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。单例模式包含的角色只有一个，就是单例类——Singleton。单例类拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法，该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。

在单例模式的实现过程中，需要注意如下三点：

单例类的构造函数为私有；
提供一个自身的静态私有成员变量；
提供一个公有的静态工厂方法。

六.优点

提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它，并为设计及开发团队提供了共享的概念。
由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源，对于一些需要频繁创建和销毁的对象，单例模式无疑可以提高系统的性能。
允许可变数目的实例。我们可以基于单例模式进行扩展，使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。

七.缺点

由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致对象状态的丢失。