1. 定义 & 特点
- 定义
指一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例的一种模式。例如，Windows 中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费，或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。 - 特点：
- 单例类只有一个实例对象；
- 该单例对象必须由单例类自行创建；
- 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。
2. 优点 & 缺点
- 优点：
- 单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销。
- 可以避免对资源的多重占用。
- 单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。
- 缺点：
- 单例模式一般没有接口，扩展困难。如果要扩展，则除了修改原来的代码，没有第二种途径，违背开闭原则。
- 在并发测试中，单例模式不利于代码调试。在调试过程中，如果单例中的代码没有执行完，也不能模拟生成一个新的对象。
- 单例模式的功能代码通常写在一个类中，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则。
3. 应用场景
对于 Java 来说，单例模式可以保证在一个 JVM 中只存在单一实例。单例模式的应用场景主要有以下几个方面。
- 需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力，减少 GC。
- 某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
- 某些类创建实例时占用资源较多，或实例化耗时较长，且经常使用。
- 某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。
- 频繁访问数据库或文件的对象。
- 对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。
- 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。
4. 结构 & 实现
单例模式是设计模式中最简单的模式之一。通常，普通类的构造函数是公有的，外部类可以通过“new 构造函数()”来生成多个实例。但是，如果将类的构造函数设为私有的，外部类就无法调用该构造函数，也就无法生成多个实例。这时该类自身必须定义一个静态私有实例，并向外提供一个静态的公有函数用于创建或获取该静态私有实例。
4.1 结构
单例模式的主要角色如下。
- 单例类：包含一个实例且能自行创建这个实例的类。
- 访问类：使用单例的类。
结构图
4.2 实现
- 第 1 种：懒汉式单例
该模式的特点是类加载时没有生成单例，只有当第一次调用getlnstance 方法时才去创建这个单例。代码如下：
public class LazySingleton {
private static volatile LazySingleton instance = null; //保证 instance 在所有线程中同步
private LazySingleton() {
} //private 避免类在外部被实例化
public static synchronized LazySingleton getInstance() {
//getInstance 方法前加同步
if (instance == null) {
instance = new LazySingleton();
}
return instance;
}
}
注意：如果编写的是多线程程序，则不要删除上例代码中的关键字 volatile 和 synchronized，否则将存在线程非安全的问题。如果不删除这两个关键字就能保证线程安全，但是每次访问时都要同步，会影响性能，且消耗更多的资源，这是懒汉式单例的缺点。
- 第 2 种：饿汉式单例
该模式的特点是类一旦加载就创建一个单例，保证在调用getInstance 方法之前单例已经存在了。
public class HungrySingleton {
private static final HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance() {
return instance;
}
}
饿汉式单例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，以后不再改变，所以是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题。
5. 实例
【例1】用懒汉式单例模式模拟产生美国当今总统对象。
分析：在每一届任期内，美国的总统只有一人，所以本实例适合用单例模式实现，下图所示是用懒汉式单例实现的结构图。
实例代码：
public class SingletonLazy {
public static void main(String[] args) {
President zt1 = President.getInstance();
zt1.getName(); //输出总统的名字
President zt2 = President.getInstance();
zt2.getName(); //输出总统的名字
if (zt1 == zt2) {
System.out.println("他们是同一人！");
} else {
System.out.println("他们不是同一人！");
}
}
}
class President {
private static volatile President instance = null; //保证instance在所有线程中同步
//private避免类在外部被实例化
private President() {
System.out.println("产生一个总统！");
}
public static synchronized President getInstance() {
//在getInstance方法上加同步
if (instance == null) {
instance = new President();
} else {
System.out.println("已经有一个总统，不能产生新总统！");
}
return instance;
}
public void getName() {
System.out.println("我是美国总统：特朗普。");
}
}
输出结果：
产生一个总统！
我是美国总统：特朗普。
已经有一个总统，不能产生新总统！
我是美国总统：特朗普。
他们是同一人！
【例2】用饿汉式单例模式模拟产生猪八戒对象。
分析：同上例类似，猪八戒也只有一个，所以本实例同样适合用单例模式实现。下图所示是用饿汉式单例实现的结构图。
实例代码：
import java.awt.*;
import javax.swing.*;
public class SingletonEager {
public static void main(String[] args) {
JFrame jf = new JFrame("饿汉单例模式测试");
jf.setLayout(new GridLayout(1, 2));
Container contentPane = jf.getContentPane();
Bajie obj1 = Bajie.getInstance();
contentPane.add(obj1);
Bajie obj2 = Bajie.getInstance();
contentPane.add(obj2);
if (obj1 == obj2) {
System.out.println("他们是同一人！");
} else {
System.out.println("他们不是同一人！");
}
jf.pack();
jf.setVisible(true);
jf.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
}
}
class Bajie extends JPanel {
private static Bajie instance = new Bajie();
private Bajie() {
JLabel l1 = new JLabel(new ImageIcon("src/Bajie.jpg"));
this.add(l1);
}
public static Bajie getInstance() {
return instance;
}
}
运行结果:
