一、設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式是一種在軟件設(shè)計(jì)中經(jīng)過驗(yàn)證的解決問題的方案或者模版。它們是從實(shí)踐中總結(jié)出來的，可以幫助解決常見的設(shè)計(jì)問題，提高代碼的重用性、維護(hù)性和擴(kuò)展性。

設(shè)計(jì)模式可以分為三大類：

1. 創(chuàng)建型模式（Creational Patterns）：創(chuàng)建型模式關(guān)注對(duì)象的實(shí)例化過程，包括如何創(chuàng)建、組合和表示對(duì)象。常見的創(chuàng)建型模式有單例模式、工廠模式、抽象工廠模式、建造者模式和原型模式等。

2. 結(jié)構(gòu)型模式（Structural Patterns）：結(jié)構(gòu)型模式關(guān)注對(duì)象的組合和關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)更大的結(jié)構(gòu)和功能。常見的結(jié)構(gòu)型模式有適配器模式、裝飾器模式、代理模式、組合模式、享元模式和橋接模式等。

3. 行為型模式（Behavioral Patterns）：行為型模式關(guān)注對(duì)象之間的通信和協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)特定的行為和交互模式。常見的行為型模式有觀察者模式、策略模式、模板方法模式、迭代器模式、狀態(tài)模式和命令模式等。

每種設(shè)計(jì)模式都有其特定的應(yīng)用場景和優(yōu)勢，可以根據(jù)需求選擇適當(dāng)?shù)哪Ｊ?。設(shè)計(jì)模式可以提供一些常用的解決方案，幫助開發(fā)人員更好地組織代碼結(jié)構(gòu)、降低耦合度、增加靈活性和可維護(hù)性。

二、單例模式

2.1 單例模式的概念與特點(diǎn)

單例模式（Singleton Pattern）是一種創(chuàng)建型設(shè)計(jì)模式，用于確保一個(gè)類只存在一個(gè)實(shí)例，并提供全局訪問點(diǎn)來訪問該實(shí)例。

在軟件開發(fā)中，有些類只需要擁有一個(gè)全局實(shí)例，例如日志記錄器、數(shù)據(jù)庫連接池、線程池等。使用單例模式可以確保這些類只被實(shí)例化一次，從而節(jié)省系統(tǒng)資源，避免不必要的對(duì)象的創(chuàng)建和銷毀。

單例模式通常具有以下特點(diǎn)：

1. 私有構(gòu)造方法：單例類的構(gòu)造方法是私有的，這樣做的目的是為了防止外部代碼直接實(shí)例化該類對(duì)象。
2. 靜態(tài)訪問方法：單例模式提供一個(gè)靜態(tài)方法，用于獲取單例實(shí)例。這個(gè)方法通常被命名為getInstance()。
3. 線程安全性：單例模式需要考慮多線程環(huán)境下的線程安全問題。確保在多線程環(huán)境下獲取單例實(shí)例的方法是線程安全的，可以使用同步機(jī)制和雙重檢查鎖（Double-Checked Locking）等方式實(shí)現(xiàn)。
4. 全局訪問：單例模式提供單例實(shí)例的全局訪問，其他代碼可以通過調(diào)用單例類的訪問方法來獲取實(shí)例。

單例模式可以帶來一些優(yōu)點(diǎn)，如減少內(nèi)存開銷、統(tǒng)一管理全局資源、提供全局訪問點(diǎn)等。然而，過度使用單例模式可能導(dǎo)致代碼的可測試性和可擴(kuò)展性下降，因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中需要謹(jǐn)慎使用。

2.2 餓漢模式和懶漢模式

餓漢模式（Eager Initialization） 和 懶漢模式（Lazy Initialization） 是兩種常見的單例模式實(shí)現(xiàn)方式。

餓漢模式：

• 在餓漢模式中，單例實(shí)例在類加載時(shí)就被創(chuàng)建，并在整個(gè)程序運(yùn)行期間保持不變。因此，它的實(shí)例化是立即發(fā)生的，不需要延遲加載。
• 餓漢模式的實(shí)現(xiàn)簡單直接，可以通過將構(gòu)造函數(shù)設(shè)為私有并創(chuàng)建一個(gè)靜態(tài)的、final的實(shí)例來實(shí)現(xiàn)。通過靜態(tài)方法或直接訪問實(shí)例變量，其他代碼可以獲得該實(shí)例。
• 餓漢模式是線程安全的，因?yàn)閷?shí)例在類加載時(shí)就被創(chuàng)建，不存在多線程環(huán)境下的競爭條件。
• 由于實(shí)例在類加載時(shí)就創(chuàng)建，可能會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，尤其是在實(shí)例很大或者需要耗費(fèi)較多資源的情況下。

懶漢模式：

• 在懶漢模式中，單例實(shí)例在第一次使用時(shí)才被創(chuàng)建，延遲實(shí)例化。因此，它的實(shí)例化是在需要時(shí)發(fā)生的，具有延遲加載的特性。
• 懶漢模式的實(shí)現(xiàn)通常涉及使用雙重檢查鎖機(jī)制或者使用內(nèi)部類來實(shí)現(xiàn)延遲加載和線程安全。
• 懶漢模式可以避免在應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)就創(chuàng)建實(shí)例，節(jié)省了資源。然而，在多線程環(huán)境中需要考慮線程安全性，特別是在第一次創(chuàng)建實(shí)例時(shí)需要進(jìn)行同步控制，以避免多個(gè)線程同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例的問題。

根據(jù)以上的定義可以得出，餓漢模式適用于實(shí)例創(chuàng)建和初始化的成本較低、資源占用較小的情況。懶漢模式適用于實(shí)例創(chuàng)建和初始化的成本較高、資源占用較大的情況，并且希望在需要時(shí)才進(jìn)行實(shí)例化。同時(shí)，在多線程環(huán)境下，需要考慮線程安全性和性能等因素進(jìn)行選擇。

三、單例模式的實(shí)現(xiàn)

3.1 餓漢模式的單例模式

惡漢模式的代碼如下：

class Singleton{
    // 此處，先把這個(gè)實(shí)例創(chuàng)建出來
    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 如果要使用這個(gè)實(shí)例，統(tǒng)一通過 Singleton.getInstance() 方式獲取
    // 餓漢模式只涉及到讀操作，因此是線程安全的
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }

    // 為了避免 Singleton 類不小心被復(fù)制出多份
    // 把構(gòu)造方法設(shè)置為 private，在類外面就無法通過 new 的方式來創(chuàng)建這個(gè) Singleton 實(shí)例了
    private Singleton(){}
}

• 在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，單例實(shí)例 instance 在類加載階段就被創(chuàng)建，并且通過靜態(tài)方法 getInstance() 返回該實(shí)例。

• 餓漢模式的實(shí)現(xiàn)確保了在整個(gè)程序運(yùn)行期間只有一個(gè)實(shí)例存在，并且在需要時(shí)立即獲得該實(shí)例。由于實(shí)例在類加載時(shí)就被創(chuàng)建，所以在多線程環(huán)境下也是線程安全的。

• 私有的構(gòu)造方法確保了在類外部無法通過 new 關(guān)鍵字創(chuàng)建該類的實(shí)例，從而限制了實(shí)例的數(shù)量。

3.2 懶漢模式的單例模式

單線程版懶漢模式的代碼實(shí)現(xiàn)：

class Singleton {
    private static Singleton instance = null;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null){
        	instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

上面的代碼實(shí)現(xiàn)了單線程環(huán)境下的懶漢模式單例模式。

在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，getInstance() 方法首先檢查 instance 是否為 null，如果為 null，則通過私有的構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例，并將其賦值給 instance 變量。在后續(xù)調(diào)用 getInstance() 方法時(shí)，由于 instance 已經(jīng)被賦值，直接返回該實(shí)例。

這種實(shí)現(xiàn)方式在單線程環(huán)境下是可行的，能夠保證只有一個(gè)實(shí)例被創(chuàng)建并被返回。但是在多線程環(huán)境下，可能會(huì)出現(xiàn)問題，多個(gè)線程同時(shí)通過 instance == null 的判斷條件進(jìn)入，導(dǎo)致多次創(chuàng)建實(shí)例，違反了單例模式的原則。

因此，在多線程環(huán)境下，需要對(duì)該實(shí)現(xiàn)進(jìn)行改進(jìn)，以保證線程安全性。常見的方式是引入同步機(jī)制，如雙重檢查鎖或使用 synchronized 關(guān)鍵字，來確保只有一個(gè)線程能夠創(chuàng)建實(shí)例。

多線程版：

class Singleton{

    // 存在指令重排序問題。
    // 加上 volatile 關(guān)鍵字保持 instance 內(nèi)存可見性，禁止指令重排
    private volatile static Singletoninstance = null;

    // 懶漢模式存在現(xiàn)線程安全
    // 解決方法：加上 synchronized
    // 存在的問題：這里的加鎖只是在new對(duì)象之前加鎖才是有必要的，后面就一直是讀操作，沒有加鎖的必要

    // 改進(jìn):
    // 使用雙重 if 判定, 降低鎖競爭的頻率
    // 給 instance 加上了 volatile.

    public static Singleton getInstance() {
        if (null == instance) { // 判斷是否加鎖
            // 當(dāng) instance 為空時(shí)才加鎖
            synchronized (Singleton.class) {
                if (null == instance) { // 判斷是否創(chuàng)建對(duì)象
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    
    private Singleton() {
    }
}

以上代碼實(shí)現(xiàn)了多線程環(huán)境下的懶漢模式單例模式，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。

在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，使用了 雙重檢查鎖（Double-Checked Locking） 機(jī)制和 volatile 關(guān)鍵字來解決多線程環(huán)境下的線程安全和指令重排序問題。

將 instance 聲明為 volatile，可以保證線程之間對(duì) instance 的可見性和禁止指令重排序，避免在實(shí)例化過程中的并發(fā)問題。因?yàn)樵谠缙诘?Java 版本中存在雙重檢查鎖失效的問題。為了避免這個(gè)問題，建議使用 Java 5 及以上版本，并將 instance 變量聲明為 volatile。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-571887.html

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