单例模式

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单例模式（Singleton Pattern）是一个比较简单的模式，其定义如下：

Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.（确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。）

单例模式通用类图

Singleton 类成为单例类，通过使用 private 修饰构造函数，确保出自己以外别的地方都不是能使用构造函数创建实例；通过自身确保在一个应用中只产生一个实例，并且是自行实例化的。如下代码所示:

public class Singleton {
	private final static Singleton INSTANCE = new Singleton();

	/**
	 * 确保除自身以外，都不允许使用 new 创建实例
	 */
	private Singleton() {

	}

	/**
	 * 通过该方法获取实例对象
	 */
	public static Singleton getInstance() {
		return INSTANCE;
	}
}

单例模式的优点

由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是在一个对象需要频繁创建、销毁时，创建和销毁时的性能是难以优化的；
由于单例模式只创建一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的创建需要比较多的资源，如读取配置、产生其它依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接创建一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决（在 JavaEE 中采用单例模式时需要注意 JVM 垃圾回收机制）；
单例模式可以避免对系统资源的多重占用，例如一个写文件动作，所有需要写文件都使用一个单例对象，可避免对同一资源文件的同时写操作（涉及线程安全问题，需要结合 synchronized 关键字）；
单例模式可以在系统设置全局访问点，优化和共享资源的访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

单例模式的缺点

单例模式一般没有接口，扩展很困难，如需要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。单例模式为什么不能增加接口呢？因为接口对单例模式是没有任何意义的，它需要“自行实例化”，并且提供单一实例，很显然接口或抽象类是不可能被实例化的。当然，在特殊情况，单例类可以实现接口、被继承等，需要在系统开发中根据实际情况进行判断；
单例模式对测试是不利的。在并行开发环境中，如果单例模式没有完成，是不能进行测试的，没有接口也不能使用 mock 的方式虚拟一个对象；
单例模式与单一原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑，而不关心它是否单例的，是不是要单例取决于环境，单例模式把“要单例”与业务逻辑融合在一个类中。

单例模式的使用场景

在一个系统中，要求一个类有且仅有一个对象，如果出现多个对象就会出现“不良反映”，可以采用单例模式，具体的场景如下：

要求创建唯一序列号的环境；
在整个项目中需要一个共享点或共享数据，例如一个 Web 页面上的计数器，可以不用把每次刷新都记录到数据库中，使用单例模式保持计数器的值，并确保是线程安全的。
创建一个对象需要消耗的资源过多，如要访问 IO 和数据库等资源；
需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境，可以采用单例模式（当然，也可以直接声明为 static 的方式）。

单例模式的注意事项

在高并发的情况下，需要注意单例模式的线程同步问题。单例模式有几种不同的创建方式，之前的例子不会出现产生多个实例的情况，但是接下来演示的单例模式就需要考虑线程安全：

public class Singleton {
	private static Singleton instance;

	/**
	 * 确保除自身以外，都不允许使用 new 创建实例
	 */
	private Singleton() {

	}

	/**
	 * 通过该方法获取实例对象
	 */
	public static Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

该单例模式也被成为饿汉式单例（前面第一个例子也被称为懒汉式单例）。饿汉式单例存在现在安全问题，也就是系统中可能会出现两个单例类的实例对象，设想一下，当系统中有两个线程 A 和 B 同时去调用 getInstance()（此时 instance 还为空），线程 A 与线程 B 在执行 instance == null 可能都会得到 true，那么就会执行 instance = new Singleton()，直接导致内存中存在两个单例对象。

解决线程线程安全的方法有很多，例如使用 synchronized 修饰 getInstance() 方法，也可以使用 synchronized 在 getInstance() 方法中创建一个同步块。但就该单例模式而言，最好是使用懒汉式单例，这比使用 synchronized 来防止创建多个单例类对象要好得多。

除了线程安全问题会导致出现两个单例对象，还有一种方式也可以 -- 对象复制。在 Java 中对象复制默认是不允许的，需要实现 Cloneable 接口，并重写 clone() 方法，方可直接通过对象赋值方法获取一个新的对象；对象的赋值是不通过构造函数的，所有这里私有化构造函数是不能阻止对象赋值的。通常情况下，单例类赋值的情况是不需要担心的，除非你主动实现了 Cloneable 接口。

单例模式的扩展

多例模式，它是单例模式的一种扩展，它可以根据系统需要创建固定数量对象。采用有上限的多例模式，可以在程序应用设计时决定内存中有多少个实例，方便系统进行扩展，修正单例模式可能存在的性能问题，提供系统响应速度。例如读取文件，我们可以在系统启动时完成初始化工作，在内存中启动固定数量的 reader 实例，这样在需要读取文件时就可以快速响应。

总结

单例模式是 23 种设计模式种比较简单的模式，引用也非常广泛，如在 Spring 中，每个 Bean 默认就是单例的，这样做的优点是 Spring 容器可以管理这些 Bean 的生命周期，决定什么时候创建，什么时候销毁，销毁的时候要如何处理等等。如果在 Spring 中采用非单例模式（Prototype 类型），则 Bean 初始化后的管理交由 J2EE 容器，Spring 容器不再跟踪管理 Bean 的生命周期。

摘自：《设计模式之禅》(第 2 版)