单例模式

单例模式定义

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，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。

单例模式是“创建型”设计模式之一。

单例模式的使用场景

确保某个类有且只有一个对象的场景，避免产生多个对象消耗过多的资源，或者某种类型的对
象只应该有且只有一个。例如，创建一个对象需要消耗的资源过多，如要访问I0和数据库等资源，这时就要考虑使用单例模式。

单例模式UML类图

单例模式UML.png

角色介绍:

Client高层客户端;
Singleton单例类。

实现单例模式主要有如下几个关键点:

构造函数不对外开放，一般为Private;
通过一个静态方法或者枚举返回单例类对象;
确保单例类的对象有且只有一个，尤其是在多线程环境下;
确保单例类对象在反序列化时不会重新构建对象。

通过将单例类的构造函数私有化，使得客户端代码不能通过new的形式手动构造单例类的对象。单例类会暴露一个公有静态方法，客户端需要调用这个静态方法获取到单例类的唯一对象,在获取这个单例对象的过程中需要确保线程安全,即在多线程环境下构造单例类的对象也是有且只有一个，这也是单例模式实现中比较困难的地方。

单例类的实现

1. 饿汉模式

饿汉模式 - java版本

public class SimpleSingleton {
    private static SimpleSingleton mInstance = new SimpleSingleton();

    private SimpleSingleton() {
    }

    public static SimpleSingleton getInstance() {
        return mInstance;
    }
}

饿汉模式 - kotlin版本

object SimpleSingleton {
    fun dosomething() {
        println("dosomething")
    }
}

饿汉式优缺点

优点：

在类加载的时候创建一次实例，不会存在多个线程创建多个实例的情况，避免了多线程同步的问题。

缺点：

如果构造方法中存在过多的处理，会导致加载这个类时比较慢，可能引起性能问题。
如果使用饿汉式的话，只进行了类的装载，并没有实质的调用，会造成资源的浪费。

适用场景：

这种实现方式适合单例占用内存比较小，在初始化时就会被用到的情况。但是，如果单例占用的内存比较大，或单例只是在某个特定场景下才会用到，使用饿汉模式就不合适了，这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载。

2. 懒汉模式

懒汉模式 - java版本

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton mInstance = null;

    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (null == mInstance) {
            mInstance = new LazySingleton();
        }
        return mInstance;
    }
}

懒汉模式 - kotlin版本

class LazySingleton {
    companion object {
        val mInstance: LazySingleton by lazy { LazySingleton() }
    }
}

说明：

显式声明构造方法为private
companion object用来在class内部声明一个对象
LazySingleton的实例instance 通过lazy来实现懒汉式加载
lazy默认情况下是线程安全的，这就可以避免多个线程同时访问生成多个实例的问题

懒汉式优缺点

优点：

懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建，再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。

缺点：

java版本的懒汉模式并没有考虑线程安全问题，在多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法，导致创建多个实例，因此需要加锁解决线程同步问题(getInstance()方法上加上synchronized字段)。

适用场景：

如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。

3. 双重校验锁

双重校验锁版本

public class DoubleCheckSingleton {
    private static volatile DoubleCheckSingleton mInstance = null;

    private DoubleCheckSingleton() {
    }

    public static DoubleCheckSingleton getInstance() {
        if (mInstance == null) {
            synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {
                if (mInstance == null) {
                    // Double checked
                    mInstance = new DoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        return mInstance;
    }
}

双重校验锁解决了“懒汉式”单例模式的线程安全问题。
增加了 volatile 关键字，禁止指令重排序优化。

4. 静态内部类

静态内部类版本

public class StaticInnerSingleton {
    private static class SingletonHolder {
        static StaticInnerSingleton mInstance = new StaticInnerSingleton();
    }

    private StaticInnerSingleton() {
    }

    public static StaticInnerSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.mInstance;
    }
}

这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个instance实例。它与饿汉模式一样，也是利用了类加载机制，因此不存在多线程并发的问题。
不一样的是，它是在内部类里面去创建对象实例。
这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。

5. 枚举单例

public class EnumSingleton {
    private EnumSingleton() {
    }

    public static EnumSingleton getInstance() {
        return Singleton.INSTANCE.getInstance();
    }

    private enum Singleton {
        INSTANCE;
        private EnumSingleton singleton;

        //JVM会保证此方法绝对只调用一次
        private Singleton() {
            singleton = new EnumSingleton();
        }

        public EnumSingleton getInstance() {
            return singleton;
        }
    }
}

在枚举中我们明确了构造方法限制为私有，在我们访问枚举实例时会执行构造方法。
同时每个枚举实例都是static final类型的，也就表明只能被实例化一次。在调用构造方法时（Singleton.INSTANCE），我们的单例被实例化。
也就是说，因为enum中的实例被保证只会被实例化一次，所以我们的INSTANCE也被保证实例化一次。

总结：

上面提到的五种种实现单例的方式都有共同的缺点：

需要额外的工作来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例。
可以使用反射强行调用私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

而枚举类很好的解决了这两个问题，使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。

单例模式的线程安全性:

饿汉式：线程安全
懒汉式：非线程安全
双检锁：线程安全
静态内部类：线程安全
枚举：线程安全

参考链接：
https://blog.csdn.net/fly910905/article/details/79286680
https://droidyue.com/blog/2017/07/17/singleton-in-kotlin/

设计模式之单例模式