Java单例和多例

背景：最近在学习韩老师的笔记时候发现不是很了解单例和多例，于是通过网上查找资料的方式去学习。

设计模式：最佳的实践，是软件开发人员在软件开发过程中面临一般解决方案，也就是开发的经验总结。

单例模式（Singleton）：是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种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的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例类的特点：

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
• 单例类的构造方法私有。(避免外部利用构造方法直接创建多个实例

多例模式（Multiton）：作为对象的创建模式，多例模式中的多例类可以有多个实例，而且多例类必须自己创建、管理自己的实例，并向外界提供自己的实例。

多例类的特点：

• 多例类可有多个实例。
• 多例类必须自己创建，管理自己的实例，并向外提供自己的实例。
• 根据是否有实例上限分为有上限的多例类和无上限的多例类。

多例的单例模式的比较：

• 单例模式和多例模式属于对象模式。
• 它们都不对外提供构造方法，即构造方法都为私有。
• 单例模式的对象在整个系统中只有一份，多例模式可以有多个实例。
• 单例是所有的请求都用一个对象来处理，比如service和dao层的对象通常都是单例的，而多例是每个请求用一个新的对象来处理，比如action;
• 单例可以节约CPU和内存，多例可以防止并发问题，即一个请求改变了对象的状态，此时对象处理另一个请求，而之前的请求对象状态的改变导致对象对另一个请求的错误处理，对象中含有可改变的状态时，则用多例反之单例。

单例的实现：

创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。

package ecut.enums;

public class SingleObject {

    // 创建 SingleObject 的一个对象
    private static SingleObject instance = new SingleObject();

    // 让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
    private SingleObject() {
    }

    // 获取唯一可用的对象
    public static SingleObject getInstance() {
        return instance;
    }

    public void showMessage() {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

在SingletonPatternDemo中使用 SingleObject 类来获取 SingleObject唯一 对象。

package ecut.enums;

public class SingletonPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {

        // 不合法的构造函数
        // 编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
        // SingleObject object = new SingleObject();

        // 获取唯一可用的对象
        SingleObject object = SingleObject.getInstance();

        // 显示消息
        object.showMessage();
    }
}

运行结果如下：

Hello World!

 单例的几种实现方法：

1、懒汉式，线程不安全

是lazy初始化（懒加载，在需要的时候才创建单例对象分配内存，而不是随着软件系统的运行或者当类被加载器加载的时候就创建），多线程不安全，容易实现，没有加锁synchronized,因此不支持多线程。

package ecut.enums;

/**
 * "懒汉"式,线程不安全实现单例 ( Singleton )
 */
public class Sun {

    // 1、将所有构造方法私有 (无法在类外正常创建该类实例、该类无子类)
    private Sun(){
    }

    // 3、提供一个静态变量缓存那个惟一的实例
    private static Sun s ;

    // 2、通过静态方法来获得该类的惟一的实例
    public static Sun getInstance() {
        if( s == null ) {
            s = new Sun();
        }
        return s ;
    }
}

2、懒汉式，线程安全

是lazy初始化，多线程安全，容易实现，具备很好的lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是效率低，99%情况下不需要同步。

优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

package ecut.enums;

/**
 * "懒汉"式,线程安全实现单例 ( Singleton )
 */
public class Sun {

    // 1、将所有构造方法私有 (无法在类外正常创建该类实例、该类无子类)
    private Sun(){
    }

    // 3、提供一个静态变量缓存那个惟一的实例
    private static Sun s ;

    // 2、通过静态方法来获得该类的惟一的实例，synchronized 关键字声明的方法同一时间只能被一个线程访问。
    public static synchronized Sun getInstance() {
        if( s == null ) {
            s = new Sun();
        }
        return s ;
    }
}

使用synchronized关键字修饰静态方法达到线程安全的原理： 对共享资源进行访问的方法定义中加上synchronized关键字修饰，此方法称为同步方法，可以简单理解成对此方法进行了加了内置锁，内置锁是当前的Class字节码对象，多线程环境下，当执行此方法时，首先都要获得此同步锁（且同时最多只有一个线程能够获得），只有当线程执行完此同步方法后，才会释放锁对象，其他的线程才有可能获取此同步锁，实现了线程同步。同步了线程就安全。

线程同步：同步就是协同步调，按预定的先后次序进行运行。

线程安全：多个线程在执行同一段代码的时候，每次的执行结果和单线程执行的结果都是一样的，不存在执行结果的二义性，就可以称作是线程安全的。

内置锁： 在Java中任何一个对象都可以用作于同步锁，而这些锁就是内置锁，线程进入同步代码块之前自动获取到锁，代码块执行完成正常退出或代码块中抛出异常退出时会释放掉锁，内置锁为互斥锁，即线程A获取到锁后，线程B阻塞直到线程A释放锁，线程B才能获取到同一个锁。

内置锁在Java语言中的表现：多线程的锁，其实本质上就是给一块内存空间的访问添加访问权限，因为Java中是没有办法直接对某一块内存进行操作的，又因为Java是面向对象的语言，一切皆对象，所以具体的表现就是某一个对象承担锁的功能，每一个对象都可以是一个锁。内置锁，使用方式就是使用 synchronized 关键字，synchronized 方法或者 synchronized 代码块。

3、饿汉式

不是lazy初始化，多线程安全，容易实现，比较常用，但容易产生垃圾对象。

优点：比较常用，但容易产生垃圾对象。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存（饿汉式单例在类被加载时就创建单例对象并且长驻内存，不管你需不需要它；如果单例类占用的资源比较多，就会降低资源利用率以及程序的运行效率）。

它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

package ecut.enums;

/**
 * "饿汉"式实现单例 ( Singleton )
 */
public class Moon {

    // 1、将所有构造方法私有 (无法在类外正常创建该类实例、该类无子类)
    private Moon(){
    }

    // 3、提供一个静态变量缓存那个惟一的实例
    private static final Moon MOON  = new Moon();

    // 2、通过静态方法来获得该类的惟一的实例
    public static Moon getInstance() {
        return MOON ;
    }
}

4、双检锁/双重校验（DCL，即double-checked locking）

jdk1.5起，是lazy初始化，多线程安全，实现较复杂，这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。getInstance() 的性能对应用程序很关键。

package ecut.enums;

/**
 *
 *  双检锁实现单例 ( Singleton )
 *
 */
public class Singleton {
    /*volatile:修饰成员变量在被每次被线程访问时，都强制从共享内存中读取该成员变量的值，而且当成员变量发生变化时，会强制线程将变化值写到共享内存，
    这样在任何时刻两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。*/
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
    if (singleton == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        }
    }
    return singleton;
    }
}  

5、登记式/静态内部类

是lazy初始化，多线程安全。

利用了ClassLoader的机制保证了线程安全；不同的是，饿汉式在类被加载时就创建了一个实例对象，而静态内部类即使类被加载也不会创建单例对象，除非调用里面的getInstance()方法。因为当Singleton类被加载时，其静态内部类SingletonHolder没有被主动使用。只有当调用getInstance方法时，才会装载SingletonHolder类，从而实例化单例对象。这样，通过静态内部类的方法就实现了lazy loading，很好地将懒汉式和饿汉式结合起来，既实现延迟加载，保证系统性能，也能保证线程安全。

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

6、枚举

jdk1.5起，不是lazy初始化，多线程安全，容易实现，这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {
    }
}  

多例的实现：

package ecut.enums;

/**
 * 实现多例 ( Multiton )
 */
public class Season {

    private int index ;
    private String name ;

    public static final Season SPRING = new Season( 1 , "春暖花开时" );
    public static final Season SUMMER = new Season( 2 , "炎炎夏日" );
    public static final Season AUTUMN = new Season( 3 , "又该吃月饼了" );
    public static final Season WINTER = new Season( 4 , "美丽冻人" );

    private Season(int index, String name) {
        super();
        this.index = index;
        this.name = name;
    }

    public int getIndex() {
        return index;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

}

待解决问题：

ClassLoader机制

参考博客链接：

http://www.runoob.com/design-pattern/singleton-pattern.html

https://www.2cto.com/kf/201404/289810.html

http://blog.sina.com.cn/s/blog_70c2024b0102wxs0.html

http://blog.sina.com.cn/s/blog_6f5e71b30102xeqh.html

https://www.cnblogs.com/xyhuangjinfu/p/6505329.html

https://www.cnblogs.com/IUbanana/p/7112296.html

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http://www.cnblogs.com/AmyZheng/p/8443914.html