如何理解單例模式？竟然還有列舉這種操作！

1. 前言

單例（Singleton）模式的定義：指一個類只有一個範例，且該類能自行建立這個範例的一種模式。
例如，Windows 中只能開啓一個工作管理員，這樣可以避免因開啓多個工作管理員視窗而造成記憶體資源的浪費，或出現各個視窗顯示內容的不一致等錯誤。

在計算機系統中，還有 Windows 的回收站、操作系統中的檔案系統、多執行緒中的執行緒池、顯示卡的驅動程式物件、印表機的後臺處理服務、應用程式的日誌物件、數據庫的連線池、網站的計數器、Web 應用的設定物件、應用程式中的對話方塊、系統中的快取等常常被設計成單例。

單例模式的三個特點：

• 單例類只有一個範例物件。
• 該單例物件必須由單例類自行建立。
• 單例類對外提供一個存取該單例的全域性存取點。

2. 單例模式的基本結構及實現原理

單例模式是設計模式中最簡單的模式之一。通常，普通類別建構函式是公有的，外部類可以通過「new 建構函式()」來生成多個範例。
但是，如果將類別建構函式設爲私有的，外部類就無法呼叫該建構函式，也就無法生成多個範例。這時該類自身必須定義一個靜態私有範例，並向外提供一個靜態的公有函數用於建立或獲取該靜態私有範例。

下面 下麪來分析其基本結構和實現原理。

2.1 基本結構

單例模式的主要角色如下。

• 單例類：包含一個範例且能自行建立這個範例的類。
• 存取類：使用單例的類。
  

2.2 實現原理

首先，我們建立一個類，將其預設構造方法私有化，使外界不能通過new Object來獲取物件範例，同時提供一個對外獲取物件唯一範例的方法。

例如，建立一個SingleObject，如下：

public class SingleObject {
    //建立SingleObject的一個物件
    private static SingleObject instance = new SingleObject();

    // 設定建構函式爲private，這樣該類就不會被範例化
    private SingleObject() {}

    public static SingleObject getInstance() {
        return instance;
    }

    public void show() {
        System.out.println("SingleObject:" + instance);
    }
}

然後，我們從主方法中獲取唯一的物件，如下：

public class SingletonPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 不合法的建構函式
        // 編譯時錯誤：建構函式SingleObject()是不可見的
        // SingleObject object = new SingleObject();

        // 獲取唯一可用的物件
        SingleObject object = SingleObject.getInstance();

        // SingleObject:com.atlantis.SingleObject@4554617c
        object.show();
    }
}

3. 單例模式的幾種實現方法

3.1 懶漢式，執行緒不安全（不推薦）

這種方式是最基本的實現方式，這種實現最大的問題就是不支援多執行緒。因爲沒有加鎖synchronized，所以嚴格意義上它並不算單例模式。這種方式lazy loading延遲載入很明顯，不要求執行緒安全，在多執行緒不能正常工作。

public class SingleObject {
    private static SingleObject instance;
    
    private SingleObject(){}
    
    public static SingleObject getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingleObject();
        }
        return instance;
    }
}

3.2 懶漢式，執行緒安全（不推薦）

這種方式具備很好的lazy loading延遲載入，能夠在多執行緒中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。

優點：第一次呼叫才初始化，避免記憶體浪費。
缺點：必須加鎖synchronized才能 纔能保證單例，但加鎖會影響效率。getInstance()的效能對應用程式不是很關鍵（該方法使用不太頻繁）。

public class SingleObject {
    private static SingleObject instance;
    
    private SingleObject(){}
    
    public static synchronized SingleObject getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingleObject();
        }
        return instance;
    }
}

3.3 餓漢式（推薦使用）

這種方式比較常用，但容易產生垃圾物件。

它基於ClassLoader機制 機製避免了多執行緒的同步問題。不過，instance在類裝載時就範例化，雖然導致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數都是呼叫getInstance方法， 但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態方法）導致類裝載，這時候初始化instance 顯然沒有達到lazy loading延遲載入的效果。

優點：沒有加鎖，執行效率會提高。
缺點：類載入時就初始化，浪費記憶體。

public class SingleObject {
    private static SingleObject instance = new SingleObject();
    
    private SingleObject() {}

    public static SingleObject getInstance() {
        return instance;
    }
}

3.4 雙檢鎖 / 雙重校驗鎖（推薦使用）

這種方式採用雙鎖機制 機製，安全且在多執行緒情況下能保持高效能。

getInstance() 的效能對應用程式很關鍵。

public class SingleObject {
    private volatile static SingleObject instance;
    
    private SingleObject(){}
    
    public static synchronized SingleObject getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingleObject.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingleObject();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

3.5 靜態內部類（推薦使用）

這種方式能達到雙檢鎖方式一樣的功效，對靜態域使用延遲初始化，但實現更簡單。

這種方式只適用於靜態域的情況，雙檢鎖方式可在範例域需要延遲初始化時使用。

public class SingleObject {
    private static class SingleHolder {
        private static final SingleObject INSTANCE = new SingleObject();
    }

    private SingleObject() {
    }

    public static final SingleObject getInstance() {
        return SingleHolder.INSTANCE;
    }
}

3.6 列舉（推薦使用）

這種實現方式還沒有被廣泛採用，但這是實現單例模式的最佳方法。 它更簡潔，自動支援序列化機制 機製，絕對防止多次範例化。

這種方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多執行緒同步問題，而且還自動支援序列化機制 機製，防止反序列化重新建立新的物件，絕對防止多次範例化。不過，由於JDK1.5之後才加 enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實際工作中，也很少用。

public enum SingleObject {
    INSTANCE;

    public void doMethod() {

    }
}

哈哈，有點難理解？┭┮﹏┭┮
下面 下麪就一個小案例來演示如果使用列舉來實現單例模式：

public class SingleEnumDemo {
    private SingleEnumDemo(){}

    // 定義一個靜態列舉類
    static enum SingleEnum{
        INSTANCE;
        private SingleEnumDemo instance;
        // 私有化列舉的建構函式
        private SingleEnum(){
            instance = new SingleEnumDemo();
        }
        public SingleEnumDemo getInstance(){
            return instance;
        }
    }

    // 對外暴露一個獲取物件的靜態方法
    public static SingleEnumDemo getInstance(){
        return SingleEnum.INSTANCE.getInstance();
    }
}

測試一下，Perfect！

單例模式在Java中的應用也很多，例如Runtime就是一個典型的使用了餓漢式方式建立單例物件的例子，原始碼如下：

4. 總結

一般情況下，不建議使用第3.1節和第3.2節的懶漢方式，建議使用第3.3節的餓漢方式。
只有在要明確實現lazy loading延遲載入效果時，纔會使用第3.5節方式。
如果涉及到反序列化建立物件時，可以嘗試使用第3.6節的列舉方式。
如果有其他特殊的需求，可以考慮使用第3.4節的雙檢鎖方式。

4.1 單例模式的應用場景

• 在應用場景中，某類只要求生成一個物件的時候，如一個班中的班長、每個人的身份證號等。
• 當物件需要被共用的場合。由於單例模式只允許建立一個物件，共用該物件可以節省記憶體，並加快物件存取速度。如 Web 中的設定物件、數據庫的連線池等。
• 當某類需要頻繁範例化，而建立的物件又頻繁被銷燬的時候，如多執行緒的執行緒池、網路連線池等。

4.2 單例模式的擴充套件（多例模式）

單例模式可延伸爲有限的多例（Multitcm）模式，這種模式可生成有限個範例並儲存在ArmyList中，使用者需要時可隨機獲取，其結構圖如下圖所示。