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01設計模式之單例設計模式

一、什麼是單例設計模式？

單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單的設計模式之一。這種類型的設計模式屬於創建型模式，它提供了一種創建對象的最佳方式。

這種模式涉及到一個單一的類，該類負責創建自己的對象，同時確保只有單個對象被創建。這個類提供了一種訪問其唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實例化該類的對象。

註意：

單例類只能有一個實例。
單例類必須自己創建自己的唯一實例。
單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

二、單例設計模式的優缺點

優點：

在記憶體中只有一個實例對象，減少記憶體開銷。解決了頻繁創建和銷毀記憶體實例對象的問題。
避免過多的資源占用。比如：寫文件操作。

缺點：

沒有介面，不能繼承，與單一職責原則衝突，一個類應該只關心內部邏輯，而不關心外面怎麼樣來實例化。

三、單例設計模式的使用

當想要控制實例數目，節省系統資源的時候。並且在一個全局內，解決記憶體中頻繁創建和銷毀實例對象問題。

四、單例設計模式分類

單例設計模式的原則是創建唯一實例，但是創建唯一實例的方法有很多，也由此生成了許多種類的單例設計模式。它們分別是：普通懶漢式單例模式、同步鎖懶漢式單例模式、同步代碼塊懶漢式案例模式、餓漢式單例模式、雙重校驗鎖（雙檢鎖）單例模式、靜態內部類（登記式）單例模式和枚舉單例模式

五、單例模式思想的傳遞過程

問題： 如果我們要有寫單例設計模式的思想，該如何實現單例設計模式呢？怎樣才能實現全局內只創建一個實例化對象並使用呢？而且在使用過程中會不會出現其他問題呢？帶著疑問先把最基礎的單例設計模式寫出來！

首先，先創建一個類，類名為Singleton。然後去創建一個對象如下：

class Singleton {
    Singleton instance = new Singleton();
}

看到這裡，我們就發現這是一個普通的類，創建一個普通類的實例對象。那麼我們如果實現單個實例對象的話，就不能讓外界隨便來訪問創建該對象。所以我們就想到了構造方法，大家知道如果類中寫任何構造方法的話，它會隱式的存在一個公共的無參構造。這時候聰明的小伙伴想到了私有該構造器，不讓外界隨便創建對象。代碼如下：

class Singleton {
    //在類的內部創建一個類的實例對象
    private Singleton instance = new Singleton();
    //私有化構造器,使得在類的外部不能夠調用此構造器,隨意創建實例對象
    private Singleton() {}
}

那麼下一步呢？我們如何為外界提供該類內部的實例對象呢？有的小伙伴在創建類的實例對象的同時使用了修飾符static。我真的說著很聰明。這樣被static修飾了之後就可以通過類名來句點出來對象使用了？那麼問題來了。如果出現以下狀況怎麼辦呢？看以下操作！

class Singleton {
    //在類的內部創建一個類的實例對象,該靜態修飾的對象隨著類載入只創建一次實例
    private static Singleton instance = new Singleton();
    //私有化構造器,使得在類的外部不能夠調用此構造器,隨意創建實例對象
    private Singleton() {}
}

class Test {
    //分別創建了兩個對象為s1和s2，並且兩個對象是使用了同一個實例對象
    Singleton s1 = Singleton.instance;
    Singleton s2 = Singleton.instance;
    //不信的話,你可以比較一下兩個對象的地址
    System.out.println(s1 == s2);//結果true,證明是同一個對象    
}

結果很好，那麼我又來問問題了。如果創建了兩個對象，這時原來的實例對象改變了，會有什麼結果呢？那不就創建的兩個實例對象不是同一個了嘛。對，很對。不是同一個對象了。來再繼續看以下場景！

class Test {
    //又分別創建了兩個對象為s3和s4,這時我將原實例對象改變一下,把它置為空，會有什麼結果呢？
    Singleton s3 = Singleton.instance;
    //把原實例對象置為空
    Singleton.instance = null;
    Singleton s4 = Singleton.instance;
    //比較兩個對象的地址
    System.out.println(s1 == s2);//結果false,證明不是使用的同一個實例對象
}

因為上面的場景外界可以改變原來的實例對象，而造成創建實例不一致，那麼我們就想辦法限制外界更改實例。那肯定有小伙伴想到使用get方法，為類提供一個get方法，將創建好的實例對象提供給外界使用就ok了。那麼get方法是外界隨便就可以使用的嗎，常規來說，get方法是通過創建實例對象後句點出來的，那外界創建不了實例對象我們怎麼辦？別忘了我們有static修飾符，加了它不就能用類名句點出來嘛。代碼如下，此代碼也是最終版了！

//餓漢式單例模式
class Singleton {
    //1.在類的內部創建一個類的實例,該靜態修飾的對象隨著類載入只創建一次實例
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    //2.私有化構造器,使得在類的外部不能夠調用此構造器
    private Singleton() {

    }
    //3.私有化此對象,通過公共的方法來調用
    //4.公共的方法,只能通過類來調用,因為設置為static的,同時類的實例也必須為static聲明的
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

細心的小伙伴，會發現我在創建實例的時候不單單加了static修飾，而且還使用final修飾。這是為什麼呢？其實加final是為了該對象不被改變，是代碼更見健壯而已！

六、懶載入（Lazy Load）

懶載入（Lazy Load），這裡的懶載入指的是在使用實例對象的時候才會去創建實例對象。這就避免了資源的浪費和記憶體的占用問題。其實懶載入無非就是在空間換時間與時間換空間中的取捨！

再一次提問： 而且該實現還遺留了一個問題那就是，假如在此類中寫的代碼。我們不管用不用該實例對象，它類載入的時候就自動創建一個對象。會造成資源的浪費和記憶體的占用。雖然占用的不多，但是也是一種漏洞，懂吧！

那我我們考慮在單例模式思想傳遞過程中的終極版（此終極版就是餓漢式單例模式），它不支持懶載入。那怎樣才能支持懶載入呢？那我們就需要控制創建對象不在類載入的時候創建，而是在get方法中創建實例對象為外界提供。先看代碼吧，以下方法實現單例模式就支持懶載入了！

//普通懶漢式單例模式(線程不安全)
class Singleton {
    //創建實例對象
    private static Singleton instance = null;

    //私有化構造器
    private Singleton() {

    }

    //提供static修飾的get方法,以供外界創建實例對象
    public static Singleton getInstance() {
        //判斷實例對象是否為空,為空則創建實例對象並返回
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

七、單例設計模式的線程安全問題

問題： 在單例設計模式中什麼是線程不安全？

單例模式中，只會創建一個實例對象，也就是外界使用的實例對象是同一個對象，當然既然是同一個他們的地址都是相同的！所謂單例設計模式中的線程不安全，就是存在可以創建多個該實例對象的現象！

問題： 普通懶漢式單例模式是怎樣個線程不安全呢？如果將其改裝為線程安全的呢？

單例設計模式的線程安全問題，繼懶載入問題分析後，普通的懶漢式單例模式會存線上程安全問題。

在單例設計模式創建實例對象是一個原子操作！它的線程不安全，可以解釋為多個線程在併發訪問創建此單例對象時，同時在判空環節搶到了CUP的時間片，創建了兩個或多個該實例對象。破壞了單例設計模式單實例對象原則！

線程安全的單例模式有很多，比如介紹思想傳遞過程時的那個餓漢式單例模式，它天生就是線程安全的，你好好琢磨一下餓漢式，我不可能有創建多個實例的情況！

線程安全的單例模式，在第八章的分類剖析中，我會一一列舉，並將所有單例模式作對於寫出他們的特點、優缺點等等！

改裝普通懶漢式單例模式並解決線程安全問題

如果想要改裝普通懶漢式單例模式，我們就必須使用到同步鎖（synchronized）了！如下兩種操作可以解決普通懶漢式線程安全問題！代碼如下：

1.為原子操作方法加同步鎖

//同步鎖懶漢式單例模式(線程安全)
class Singleton {
    //創建實例對象
    private static Singleton instance = null;

    //私有化構造器
    private Singleton() {

    }

    //加同步鎖並被static修飾的get方法
    public synchronized static Singleton getInstance() {
        //具體來說以下是原子操作
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

2.為該實例對象加同步代碼塊

註意： 在使用同步代碼塊的時候，括弧內不能是this。因為我們使用static修飾創建對象，同步的對象不可能同步外界通過static句點出來的對象的，因為此操作並不合理。所以，此處寫了this會飄紅報錯！

//同步鎖懶漢式單例模式(線程安全)
class Singleton {
    //創建實例對象
    private static Singleton instance = null;

    //私有化構造器
    private Singleton() {

    }

    //加同步鎖並被static修飾的get方法
    public static Singleton getInstance() {
        //此處鎖的是實例對象
        synchronized(Singleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
}