Java描述设计模式(01)：单例模式

一、单例模式

1、概念图解

单例设计模式定义：确保这个类只有一个实例，并且自动的实例化向系统提供这个对象。

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2、样例代码

package com.model.test;
public class Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance (){
        if (singleton == null){
            singleton = new Singleton() ;
        }
        return singleton ;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance() ;
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance() ;
        /**
         * com.model.test.Singleton@15db9742
         * com.model.test.Singleton@15db9742
         */
        System.out.println(singleton1);
        System.out.println(singleton2);
    }
}

Singleton称为单例类，构造函数使用private修饰，确保系统中只能产生一个实例，并且自动生成的。上面代码也就是所谓的懒汉式加载：只有到使用该对象的时候才来创建，意思饿了才来做饭吃。

二、线程安全问题

在上面的代码中存在一个很明显的线程安全问题，当有多条线程来请求对象实例的时候，因为对象的创建是需要时间的，假设A线程进来判断singleton == null，就会进入对象的创建过程，这时如果同时在过来几条线程，那么他们都会得到一个对象实例，这个就是所谓的线程安全问题。

1、同步控制方式

package com.model.test;
public class Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton (){}
    public static synchronized Singleton getInstance (){
        if (singleton == null){
            singleton = new Singleton() ;
        }
        return singleton ;
    }
}

这样操作会影响系统性能

2、饿汉式加载

public class Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance (){
        return singleton ;
    }
}

这里先把对象创建出来，有需要直接使用；

3、双重检查

public class Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    // volatile可以确保当singleton被初始化后，多线程才可以正确处理
    // 被volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存
    // 对该变量读写都是直接操作共享内存，确保多个线程能正确的处理该变量。
    private static volatile Singleton singleton = null ;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance (){
        // 如果实例不存在，则进入同步区
        if (singleton == null){
            // 只有第一次才会彻底执行这里面的代码
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null){
                    singleton = new Singleton() ;
                }
            }
        }
        return singleton ;
    }
}

4、枚举方式

package com.model.design.base.node01.singleton;
import org.junit.Test;
/**
 * 类级内部类里面创建对象实例
 */
public class C06_Singleton {
 @Test
 public void test01 (){
 SingletonDemo INSTANCE1 = SingletonDemo.INSTANCE ;
 SingletonDemo INSTANCE2 = SingletonDemo.INSTANCE ;
 System.out.println(INSTANCE1 == INSTANCE2);
 INSTANCE1.info();
 INSTANCE2.info();
 }
}
enum SingletonDemo {
 INSTANCE ;
 public void info (){
 System.out.println("枚举方式实现单例");
 }
}

三、延迟类初始化

1、基础概念

1)、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被会装载。

2)、多线程缺省同步锁
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：

　　1.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
　　2.访问final字段时
　　3.在创建线程之前创建对象时
　　4.线程可以看见它将要处理的对象时

2、实现方式

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，在类装载的时候就初始化对象，不管是否需要，存在一定的空间浪费。
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。

public class LazySingleton {
    /**
     * 类级内部类
     */
    private static class SingletonHolder {
        private static LazySingleton lazySingleton = new LazySingleton() ;
    }
    public static LazySingleton getInstance (){
        return SingletonHolder.lazySingleton ;
    }
    public static void main(String[] args) {
        LazySingleton lazySingleton1 = LazySingleton.getInstance() ;
        LazySingleton lazySingleton2 = LazySingleton.getInstance() ;
        /**
         * com.model.test.LazySingleton@15db9742
         * com.model.test.LazySingleton@15db9742
         */
        System.out.println(lazySingleton1+";;"+lazySingleton2);
    }
}

四、JDK源码单例模式

Runtime单例实现源码。

1、案例演示

/**
 * JDK 单例模式分析
 */
public class C07_Singleton {
 public static void main(String[] args) {
 Runtime runtime1 = Runtime.getRuntime() ;
 Runtime runtime2 = Runtime.getRuntime() ;
 /*
 * 1229416514
 * 1229416514
 */
 System.out.println(runtime1.hashCode());
 System.out.println(runtime2.hashCode());
 }
}

2、源代码分析

public class Runtime {
 private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
 public static Runtime getRuntime() {
 return currentRuntime;
 }
 private Runtime() {}
}

基于饿汉模式实现的单例模式。

五、Spring框架中应用

1、创建测试类

public class UserBean {
}

2、Spring配置文件

3、测试读取Bean对象

package com.model.design.spring.node01.singleton;
import org.junit.Test;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext;
/**
 * Spring框架中单例模式
 */
public class S01_Singleton {
    @Test
    public void test01 (){
        ApplicationContext context01 = new ClassPathXmlApplicationContext("/spring/spring-context.xml");
        ApplicationContext context02 = new ClassPathXmlApplicationContext("/spring/spring-context.xml");
        UserBean user01 = (UserBean)context01.getBean("user") ;
        UserBean user02 = (UserBean)context01.getBean("user") ;
        UserBean user03 = (UserBean)context02.getBean("user") ;
        // com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean@364841
        System.out.println(user01);
        // com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean@364841
        System.out.println(user02);
        // com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean@c4711c
        System.out.println(user03);
    }
}

结论
Spring单例模式与纯粹的单例设计模式的主要区别
尽管使用相同的类加载器来加载两个应用程序上下文，但是UserBean的实例是不一样的。也就是Spring框架中的单例对象是基于应用程序中。

六、单例模式总结

1、注意事项

单例模式注意事项和细节说明
1) 单例模式保证了 系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。
2) 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new Object() 的方式。
3) 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即：重量级对象)，但又经常用到的对象。

2、优缺点

优点：
1、单例模式只会创建一个对象实例，减少内存消耗
2、设置全局访问点，优化共享资源的访问
缺点：
1、没有接口，很难扩展
2、不利于测试
3、与单一职责原则冲突

七、源代码地址

GitHub地址：知了一笑
https://github.com/cicadasmile/model-arithmetic-parent
码云地址：知了一笑
https://gitee.com/cicadasmile/model-arithmetic-parent