【设计模式与体系结构】创建型模式-单例模式

引言

张三和其舍友收假后回到宿舍，并闲聊了起来。张三说：“我昨天吃了家店，菜品很不错。”其舍友也说：“我昨天也在校门口一家新开的店吃了一下，那家新开的店也很不错。”张三说：“我昨天吃的是鸡公煲，你吃的是什么？”其舍友说：“巧了，我吃的也是鸡公煲。”张三说：“学校门口有好几家鸡公煲呢，你吃的是哪一家的？”其舍友说：“就校门口正对面那家。”此时张三一拍大腿：“哦！说了半天，原来我们吃的是同一家店。”

有时候不同的人对同一个事物的描述是会有些许不同的，但是实际讲的其实是同一件事情。比如张三和其舍友吃鸡公煲的故事，不会因为两个人对店的描述不同，就导致他们吃的“同一家店”变成“不同的店”。张三去校门口正对面那家店吃鸡公煲，和其舍友去校门口正对面那家店吃鸡公煲，这两个人去的都会是同一家店。那么这个店呢，就是个唯一确定的店，无论是他们谁去吃，去的都是同一家店，而不会因为描述者的不同而导致店不同。

类似于“去同一家店吃鸡公煲”的事情，在计算机领域有一种设计模式叫做单例模式，指的就是整个程序无论在何处访问，访问到的都是同一个实例。鸡公煲店就相当于单例的实例，张三和其舍友就相当于不同的类，这两个类访问同一个单例，虽然功能不同（相当于二人对店的描述不同），但是访问的仍然是同一个单例（说的仍然是同一家店）。

简介

单例模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建，这个类提供了一种访问其唯一对象的方法，可以直接访问，不需要实例化该对象。

单例模式的角色

1. 单例类：创建一个实例的类
2. 访问类：访问单例类

单例模式的类型

1. 饿汉式：类加载就会导致该单例对象被创建
2. 懒汉式：类加载不会导致该单例对象被创建，而是首次使用时才创建

单例模式的特点

1. 唯一性：单例类在整个应用程序只会存在一个实例
2. 全局访问：通过一个静态方法或属性，可以在整个程序的任何地方方便地获取到单例的实例

正文

饿汉式-静态变量方式

以张三与其舍友吃鸡公煲的案例，写一个饿汉式-静态变量方式的程序（毕竟这两人一见面就聊吃的，多半都是饿汉）。

1. 创建一个实体类People.java

public class People {
    String name;
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public void order() {//点菜方法
        System.out.println(getName() + "点了一份鸡公煲。");
        RestaurantSingleton restaurantSingleton = RestaurantSingleton.getInstance();
        System.out.println(getName() + "去的饭店是" + restaurantSingleton.hashCode());
    }
}

2. 创建一个饭店单例类RestaurantSingleton.java

public class RestaurantSingleton {
    //私有构造方法
    private RestaurantSingleton() { }
    //在本类中创建本类对象
    private final static RestaurantSingleton restaurantSingleton = new RestaurantSingleton();
    //提供一个公共的访问方法，供外界访问
    public static RestaurantSingleton getInstance() {
        return restaurantSingleton;
    }
}

3. 创建两个用户访问类

People zhangsan = new People();
zhangsan.setName("张三");
zhangsan.order();
People lisi = new People();
lisi.setName("李四");
lisi.order();

4. 运行结果如下
   
   说明虽然饭店单例类RestaurantSingleton.java的调用者不同，但是获取到的单例实例是同一个。

饿汉式-静态代码块方式

public class RestaurantSingleton {
    //私有构造方法
    private RestaurantSingleton() { }
    //声明 RestaurantSingleton 类型的变量
    private final static RestaurantSingleton restaurantSingleton;
    //在静态代码块中初始化 restaurantSingleton 变量
    static {
        restaurantSingleton = new RestaurantSingleton();
    }
    //提供一个公共的访问方法，供外界访问
    public static RestaurantSingleton getInstance() {
        return restaurantSingleton;
    }
}

懒汉式-线程不安全方式

想开鸡公煲店的老板，当然是想把店开在有顾客的地方，如果开个完全没有顾客的店，那显然他就做了场赔本生意。
对于单例模式饿汉式，由于类的实例是静态的，因此会一直存在于内存中。若长时间不使用，会造成内存的浪费。那么将单例的实例化延迟到被使用时，会更节约系统资源，于是引入了懒汉式单例模式：

public class RestaurantSingleton {
    //私有构造方法
    private RestaurantSingleton() { }
    //声明 RestaurantSingleton 类型的变量
    private static RestaurantSingleton restaurantSingleton = null;//仅声明，未赋值
    //提供一个公共的访问方法，供外界访问
    public static RestaurantSingleton getInstance() {
        if (restaurantSingleton == null) {//若未赋值过则进行赋值，否则直接返回
            restaurantSingleton = new RestaurantSingleton();
        }
        return restaurantSingleton;
    }
}

上述代码不会在类加载时就创建一个静态变量，而是在系统真正调用这个变量时才进行创建，会使得使用的效率更高。但是同时也引入了新的问题：
有两个老板，在相同的时间段发现了同一块空地，这两个老板都想在这块空地开一家鸡公煲店，于是各自回去准备建造设施。后面当其中一个老板准备好家伙要来盖店的时候，却发现早已被另一个老板抢占先机盖了店。于是二者争执不下，都说自己先发现的，自己来的时候还没有被开发。这说的就是线程不安全。

懒汉式-线程安全方式

于是一个老板想到了一个办法，要去探索一块地之前，先把方圆十里全用铁栅栏围起来，然后自己再安心地去看看有没有空地，有空地再建起来。相当于对于一个程序，可以使用关键字 synchronized 修饰函数，使得不同对象对同一个函数的访问是串行的。

public class RestaurantSingleton {
    //私有构造方法
    private RestaurantSingleton() { }
    //声明 RestaurantSingleton 类型的变量
    private static RestaurantSingleton restaurantSingleton = null;//仅声明，未赋值
    //提供一个公共的访问方法，供外界访问
    //synchronized 关键字可以使得对该函数的访问是串行的
    public static synchronized RestaurantSingleton getInstance() {
        if (restaurantSingleton == null) {//若未赋值过则进行赋值，否则直接返回
            restaurantSingleton = new RestaurantSingleton();
        }
        return restaurantSingleton;
    }
}

懒汉式-双重检查锁方式

有个老板每次把方圆十里的地都围起来了，但是每次去发现空地的时候，都发现那些空地早就被抢占先机了。于是老板就很苦恼，每次围地都很费劲，但是最后却发现没有自己可以建鸡公煲店的地方。于是他想了一个法子：先去找到空地，如果有空地再去围方圆十里，围完以后再去检查一下空地是不是还是空着的，如果是就可以安心的建鸡公煲店了。这就相当于程序中的双重检查锁方式。

public class RestaurantSingleton {
    //私有构造方法
    private RestaurantSingleton() { }
    //声明 RestaurantSingleton 类型的变量
    private static RestaurantSingleton restaurantSingleton = null;//仅声明，未赋值
    //提供一个公共的访问方法，供外界访问
    public static RestaurantSingleton getInstance() {
        //第一次判断，若 restaurantSingleton 不为 null，则不进入抢锁阶段
        if (restaurantSingleton == null) {
            //进行抢锁操作
            synchronized (RestaurantSingleton.class) {
                //抢到锁后，再次判断 restaurantSingleton 是否为 null，若是则赋值，否则直接返回
                if (restaurantSingleton == null) {
                    restaurantSingleton = new RestaurantSingleton();
                }
            }
        }
        return restaurantSingleton;
    }
}