案例分析：设计模式与代码的结构特性

请选择一种我们课程中介绍的设计模式，用您熟悉的编程语言提供一个典型的应用范例，并分析其代码结构特性。完成一篇研究报告，具体要求如下：

•  引用关键代码（引用代码是为解释说明服务的，不要贴对解释问题无关的代码）解释该设计模式在该应用场景中的适用性；
•  引入该设计模式后对系统架构和代码结构带来了哪些好处；
•  解释其中用到的多态机制；
•  说明模块抽象封装的方法；
•  分析各个模块的内聚度和模块之间的耦合度；
•  提供该应用范例完整的源代码包括构建部署的操作过程，建议以github版本库URL的方式提供源代码，其中README.md中说明构建部署的操作过程。

  单例（Singleton）

• 单例模式是一种常用的软件设计模式，其定义是单例对象的类只能允许一个实例存在。

  许多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个

• 单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息。这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

  

•  

  Intent

  确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

  Class Diagram

  使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

  私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

  
  
  

  Implementation

  Ⅰ 懒汉式-线程不安全

  以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

  这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致实例化多次 uniqueInstance。

  public class Singleton {
  
      private static Singleton uniqueInstance;
  
      private Singleton() {
      }
  
      public static Singleton getUniqueInstance() {
          if (uniqueInstance == null) {
              uniqueInstance = new Singleton();
          }
          return uniqueInstance;
      }
  }

  Ⅱ 饿汉式-线程安全

  线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

  但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

  private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

  Ⅲ 懒汉式-线程安全

  只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。

  但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，即使 uniqueInstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。

  public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
      if (uniqueInstance == null) {
          uniqueInstance = new Singleton();
      }
      return uniqueInstance;
  }

  Ⅳ 双重校验锁-线程安全

  uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

  双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

  public class Singleton {
  
      private volatile static Singleton uniqueInstance;
  
      private Singleton() {
      }
  
      public static Singleton getUniqueInstance() {
          if (uniqueInstance == null) {
              synchronized (Singleton.class) {
                  if (uniqueInstance == null) {
                      uniqueInstance = new Singleton();
                  }
              }
          }
          return uniqueInstance;
      }
  }

  考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句：第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作，而第二个 if 语句进行了加锁，所以只能有一个线程进入，就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作。

  if (uniqueInstance == null) {
      synchronized (Singleton.class) {
          uniqueInstance = new Singleton();
      }
  }

  uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

  1. 为 uniqueInstance 分配内存空间
  2. 初始化 uniqueInstance
  3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

  但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

  使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

  Ⅴ 静态内部类实现

  当 Singleton 类被加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例，并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。

  这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。

  public class Singleton {
  
      private Singleton() {
      }
  
      private static class SingletonHolder {
          private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
      }
  
      public static Singleton getUniqueInstance() {
          return SingletonHolder.INSTANCE;
      }
  }

  Ⅵ 枚举实现

  public enum Singleton {
  
      INSTANCE;
  
      private String objName;
  
  
      public String getObjName() {
          return objName;
      }
  
  
      public void setObjName(String objName) {
          this.objName = objName;
      }
  
  
      public static void main(String[] args) {
  
          // 单例测试
          Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
          firstSingleton.setObjName("firstName");
          System.out.println(firstSingleton.getObjName());
          Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
          secondSingleton.setObjName("secondName");
          System.out.println(firstSingleton.getObjName());
          System.out.println(secondSingleton.getObjName());
  
          // 反射获取实例测试
          try {
              Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
              for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
                  System.out.println(enumConstant.getObjName());
              }
          } catch (Exception e) {
              e.printStackTrace();
          }
      }
  }

  firstName
  secondName
  secondName
  secondName

  该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

  该实现在多次序列化和序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。

  Examples

  • Logger Classes
  • Configuration Classes
  • Accesing resources in shared mode
  • Factories implemented as Singletons

  饿汉式设计模式实例

• 
  package singleton;
  
  /**
  * 懒汉式单例类
  */
  public class LazySingleton {
  
  //私有化构造函数，防止在该类外部通过new的形式创建实例
  private LazySingleton() {
  System.out.println("生成LazySingleton实例一次！");
  }
  
  //私有的、静态的实例，设置为私有的防止外部直接访问该实例变量，设置为静态的，说明该实例是LazySingleton类型的唯一的
  //若开始时，没有调用访问实例的方法，那么实例就不会自己创建
  private static LazySingleton lazyInstance = null;
  
  //公有的访问单例实例的方法，当外部调用访问该实例的方法时，实例才被创建
  public static LazySingleton getLazyInstance() {
  //若实例还没有创建，则创建实例；若实例已经被创建了，则直接返回之前创建的实例,即不会返回2个实例
  if (lazyInstance == null) {
  lazyInstance = new LazySingleton();
  }
  return lazyInstance;
  }