设计模式 -- 单例模式（Singleton Pattern）

什么是单例模式？
定义：确保某一个类只有一个实例，而且可以自行实例化，并向整个系统提供这个实例
关键点：只有一个实例，且为自己创建的，为系统其他对象提供这一实例

特点
①私有的构造函数，禁止外部创建对象
②可以自行实例化的私有对象
③获取私有实例对象的公共方法

通用单例模式代码
①饿汉式单例模式，在单例类被加载时实例化一个对象，是线程安全的

public class Singleton {
//自行实例化
   private static final Singleton SINGLETON = new Singleton(); 
//限制产生多个对象
   private Singleton(){};
//对外获取私有实例对象
   public static Singleton getSingleton(){
      return SINGLETON;
   }
 //类中其他方法尽量是 static
   public static void doSomething(){}
}

②懒汉式单例模式，只在外部第一次调用公共方法时才会实例化对象，是线程不安全的

public class Singleton {
   private static  Singleton singleton  = null;
   private Singleton(){};
   public static Singleton getSingleton(){
      if (singleton == null){ ①
         singleton  = new Singleton(); ②
      }
      return singleton;
   }
   public static void doSomething(){}
}

③从JDK1.5开始，可以使用枚举类创建单例模式，有效防止反射，序列化带来的影响

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
}

④Lazy initialization holder class 静态字段延迟初始化，属于线程安全

public class LazyInitHolderSingleton {
   private LazyInitHolderSingleton(){};
   private static class singletonHolder{
      private static final LazyInitHolderSingleton INSTANCE = new LazyInitHolderSingleton();
   }
   public static LazyInitHolderSingleton getInstance(){
      return singletonHolder.INSTANCE;
   }
}

在②懒汉式单例模式中是会产生线程安全问题的
分析过程：当线程A执行到 ② 时，但还没获取到对象（对象初始化需要时间），这时线程B执行到 ①，会发现 singleton == null，然后线程B也会进入 ② 中，之后线程A，B都会获得一个新的对象，这就不符合单例模式要求，出现了问题。
解决方法:
①在方法上加 synchronized，线程安全

public class Singleton {
   private static  Singleton singleton  = null;
   private Singleton(){};
   public static synchronized Singleton  getSingleton(){
      if (singleton == null){
         singleton  = new Singleton();
      }
      return singleton;
   }
}

②在方法内增加 synchronized （双重检查锁），线程安全

public class Singleton {
   private static  volatile Singleton singleton  = null;
   private Singleton(){};
   public static  Singleton  getSingleton(){
      if (singleton == null){ ①
         synchronized (Singleton.class){
            if (singleton == null){
               singleton  = new Singleton();
            }
         }
      }
      return singleton;
   }
}

②相对于①来讲有以下优点：
效率提升：将 synchronized 放在if判断内部，这样就不需要每次外部调用时都进行同步（synchronized 是比较重同步锁，效率较低），只有第一次①singleton 为null时，才会进行同步，之后就不需要同步了。

因此，在面对高并发情况下，最好使用双重检查锁形式

单例模式的应用
优点：
①由于单例模式中只存在一个实例，所以可以减少内存开支，在频繁创建或销毁，且创建或销毁时无法优化性能时优势体现的最为明显。
②减少性能开销。（需要注意JVM的垃圾回收机制）
③避免资源的多重占用。
④设置全局访问点，优化与共享资源访问。

缺点
①单例模式没有接口，扩展困难
分析：单例模式要求自行实例化，那么就不能是接口或者抽象类，因为他们不可以被实例化。特殊情况下，单例模式可以实现接口，被继承等，在开发中按环境判断。
②单例模式对测试是不利的。
分析：在并行开发环境中，如果单例模式没有完成是无法进行测试的，没有接口也不能使用mock方式虚拟一个对象。
③单例模式与单一职责原则有冲突
分析：单例模式把“单例”与其他业务逻辑放在一个类中，这不符合单一指责要求

使用场景
①要求生成唯一序列号的环境
②在项目中需要一个共享访问点或共享数据：比如Web页面计数器
③创建对象需要消耗的资源过多：访问IO和数据库资源
④需要定义大量的静态常量和静态方法（比如工具类），当然也可以直接采用static方式

注意事项
①在高并发情况下，需要注意单例模式的线程同步问题，推荐使用双重检查锁。
②单例类不要实现Cloneable接口。即使是私有构造函数，依然可以通过对象Clone方式创建一个新的对象，Clone对象是不需要调用类的构造函数的。
③不要做断开单例类对象与类中静态引用的危险操作
④只使用单例类中提供的公共方法得到单列对象，不要使用反射，否则也会实例化一个新对象。具体代码如下

Class c = Class.forName(Singleton.class.getName());  
Constructor ct = c.getDeclaredConstructor();  
ct.setAccessible(true);  
Singleton singleton = (Singleton)ct.newInstance();
---------------------
防止被反射破坏可以在同步模块中增加一个全局boolean 参数判断

⑤序列化可能会对单例模式造成破坏，序列化会通过反射调用无参数的构造方法创建一个新的对象。在Singleton中定义readResolve方法，并在该方法中指定要返回的对象的生成策略，就可以防止单例被破坏。

public class Singleton implements Serializable {
   //自行实例化
   private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();
   private static final long serialVersionUID = -6698091884956053556L;
   //限制产生多个对象
   private Singleton(){};
   //对外获取私有实例对象
   public static Singleton getSingleton(){
      return SINGLETON;
   }
   private Object readResolve(){
      return SINGLETON;
   }
}

扩展延伸
（1）单例模式是只允许系统中某个类只存在一个实例，若要求一个类只能产生两三个对象呢？
分析：设置全局类实例数量，在公共方法中根据实例数量随机取得实例对象
代码重现：

//设置最大实例数量
private static final int NUM = 2;
//实例化对应数量的对象集合
private static ArrayList<Singleton>singletons = new ArrayList<Singleton>();
static {
   for (int i = 0;i<NUM;i++){
      singletons.add(new Singleton());
   }
}
//限制产生多个对象
private Singleton(){};
//对外获取私有实例对象
public static Singleton getSingleton(){
   Random random  = new Random();
   int num = random.nextInt(NUM);
   return singletons.get(NUM);
}

这种需要产生固定数量对象的模式叫做有上限的多例模式，方便系统扩展，修正单例可能存在的性能问题，提高系统的响应速度。

关于Java单例模式的一些问题:
①JVM的垃圾回收机制到底会不会回收掉长时间不用的单例模式对象？
这个问题我在网上查了很久，发现网上普遍认为答案是：不会回收。理由如下：
jvm卸载类的判定条件如下：
1，该类所有的实例都已经被回收，也就是java堆中不存在该类的任何实例。
2，加载该类的ClassLoader已经被回收。
3，该类对应的java.lang.Class对象没有任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
只有三个条件都满足，jvm才会在垃圾收集的时候卸载类。显然，单例的类不满足条件一，因此单例类也不会被回收。

在知乎上R大是这么说的
无论多长时间不用，只要对象有被一个活着的强引用所引用，JVM的GC就奈它不何--无法回收，要想达到长时间不用就抛弃的目的，Java提供了若干机制让程序员自行实现这样的功能。例如说结合SoftReference或WeakReference来实现可抛弃的cache。
JVM自身在看到强引用的时候只能一视同仁，无法判断应用层程序员的意图是什么。安全起见当然只能保留有被活着的强引用所引用的对象。
话说题主特意提到singleton。如果是这样的情况：

public class FooSingleton {
  public static final FooSingleton VALUE = new FooSingleton();
  private FooSingleton() {}
}

然后程序运行一段时间后，已经没有任何活的强引用引用下述任何对象：

  • FooSingleton.class
  • 加载FooSingleton的ClassLoader（defining class loader）
  • FooSingleton.VALUE所指向的单例对象
  • 加载FooSingleton的ClassLoader所加载的所有其它类也都没有活的实例并且其Class对象没有被活的强引用所引用
    那么FooSingleton类就会符合类卸载的条件，在一个有实现类卸载的JVM实现上，该类就会被卸载掉。相应的，这个类的单例对象自然也可以被回收掉。
    以HotSpot VM为例，它默认是开启了类卸载功能的，在做full GC时（或者CMS打开-XX:+CMSClassUnloadingEnabled、JDK8u40 / JDK9后的G1在完成concurrent mark后） 会卸载掉符合卸载条件的类。
    说明：虽然 static final 是强引用，但是在根源上来讲是依附在类上，而JVM对类的引用在允许卸载类的JVM里是弱引用语义的。所以：JVM-(弱引用)->类-(强引用)->FooSingleton实例，这根源上的引用是个弱引用。

我不知道答案，所以把我查到的答案放上来，供大家一起思考。

②若单例类中有finalize方法，那么与没有finalize方法的单例类在被回收上有无明显差异？
还是根据R大在知乎上的回答
答：一个类有finalize方法也只是会让它的实例延迟一点才可以被回收（finalize后没被复活的话才可以下次GC被回收）。当所有实例都死光光后，有没有finalize方法对一个类能不能被卸载没有任何影响。JVM不会“提前回收”任何有活着的强引用所引用的东西。有finalize就按finalize的办，并没有啥特别的地方。

③在一个JVM中会出现多个单例对象么
答:在分布式系统，多个类加载器，以及序列化的情况下，会产生多个单例。在JVM中通过单例类中的公共方法只能得到同一个单例，除非利用反射或者实现Cloneable接口。

④单例类可以被继承吗
对于这种通过私有化构造函数，静态方法提供实例的单例类而言，是不支持继承的。

参考书籍：设计模式之禅 --- 秦小波 著
参考文章：
singleton模式四种线程安全的实现
如何防止单例模式被JAVA反射攻击
单例与序列化的那些事儿
单例模式讨论篇：单例模式与垃圾回收
23种设计模式（1）：单例模式
JVM的垃圾回收机制到底会不会回收掉长时间不用的单例模式对象

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