设计模式之 Singleton - 单态模式

Singleton模式也叫单态模式，是由GoF提出的23种设计模式中的一种。Singleton模式是一种对象创建型模式，它为一个类生成唯一的实例对象，并提供一个对该实例的全局访问方法。

本文介绍设计模式中的单态（Singleton）模式的概念，用法，以及实际应用中怎么样使用Singleton模式进行开发。

Singleton的概念

Singleton模式是一种对象创建型模式，使用Singleton模式，可以保证为一个类只生成唯一的实例对象。也就是说，在整个程序空间中，该类只存在一个实例对象。
其实，GoF对Singleton模式的定义是：保证一个类只有一个实例存在，同时提供能对该实例加以访问的全局访问方法。

为什么要使用Singleton模式呢？

在应用系统开发中，我们常常有以下需求：
- 在多个线程之间，比如servlet环境，共享同一个资源或者操作同一个对象
- 在整个程序空间使用全局变量，共享资源
- 大规模系统中，为了性能的考虑，需要节省对象的创建时间
等等

因为Singleton模式可以保证为一个类只生成唯一的实例对象，所以这些情况，Singleton模式就派上用场了。

Singleton模式的实现

Singleton模式是设计模式中相对比较简单的模式之一。理解以及使用方法都比较简单。
Singleton模式有多个实现方法。但目前，每一种都存在或多或少的问题。

下面我们将给出几种实现方法，同时对它们加以比较。

第一种方法：
这是一种最简单的实现方法。但是一种相对有效的实现方法。现在，一般推荐这一种方法作为Singleton模式的实现方法。
//1）使用final关键字修改class，防止子类继承
public final class Singleton {
    //2）Singleton自身唯一实例instance
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    //3）private构造方法。防止外部调用者使用new创建新的实例
    private Singleton(){};
    //4）提供唯一实例的全局访问点
    public static Singleton getInstance(){
        return Singleton.instance;
    }

    ...
}
注意上述1），2），3），4）部分，这是Singleton模式实现的几个关键。
我们注意到，这种方法没有对instance = new Singleton()部分作同期化操作，但考虑到Singleton实例的生成只是在最初被调用时才执行一次，如果我们在调用时适当处理一下，比如在程序的统一初期化时（SERVLET环境的情况下可以在容器被初始化时如SevletListener里）调用一下Singleton，就不会存在线程安全问题。

第二种方法：
public final class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}; 
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(instance == null){ 
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
该方法把Singleton实例生成放到了getInstance方法里，同时使用synchronized解决了线程安全问题。
但如果在高并发的应用系统中，大量的线程在调用getInstance时会受到阻塞，系统的性能将受到严重影响。


第三种方法：
public final class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}; 
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (this) {
                //double-check
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
该方法也叫double-check（双重检查）方法，把线程同步synchronized放到只会被执行一次的同步块里。该方法虽然解消了性能瓶颈问题，但该方法被指出并不是线程安全的（不同步的情况下引用类型不是线程安全的）。


第四种方法：
public final class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    private Singleton(){}; 
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (this) {
                //double-check
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
该方法在第三种方法的基础上，为Singleton instance的定义加上volatile关键字修饰，该方法也被称为double-check volatile方法。但该方法却依奈不同的编译器。也就是说，在某些编译环境中，第四种方法也是非线程安全的。