单例模式

单例模式(Singleton Pattern)：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。单例模式是一种对象创建型模式。

优点

• 在内存里只有一个实例，减少了内存开销

• 可以避免对资源的多重占用

• 设置全局访问点，严格控制访问

缺点

• 没有接口，扩展比较困难。

重点

• 私有构造器

• 线程安全

• 延迟加载

• 序列化和反序列化安全

• 反射

• DoubleCheck

单例模式有很多种，接下来我们通过演进式的方式来一步一步地实现单例模式的理解。

懒汉式单例

Golang Demo 1

package singleton

type LazySingleton struct {
}

var singleton *LazySingleton

func GetInstense() *LazySingleton {
    if singleton == nil {
        singleton = &LazySingleton{}
    }
    return singleton
}

Java Demo 1

package tech.selinux.design.pattern.creational.singleton;

public class LazySingleton {
  private static LazySingleton lazySingleton = null;

  private LazySingleton() {}

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

懒汉式单例模式是最基础的一种写法，但是如果我们在并发环境下去调用GetInstance()的时候，可能会创建出多个instance，这样就违背了我们单例的初衷，所以我们对这个方法进行一个加锁机制，这样就能够保证，每次调用时首先会获取锁资源，保证了实例的单一性。

Golang Demo 2

package singleton

import "sync"

type LazySingleton struct {
}

var singleton *LazySingleton

var lock sync.Mutex

func GetInstense() *LazySingleton {
    lock.Lock()
    defer lock.Unlock()
    if singleton == nil {
        singleton = &LazySingleton{}
    }
    return singleton
}

Java Demo 2

package tech.selinux.design.pattern.creational.singleton;

public class LazySingleton {
  private static LazySingleton lazySingleton = null;

  private LazySingleton() {}

  public static LazySingleton getInstance() {
    synchronized (LazySingleton.class) {
      if (lazySingleton == null) {
        lazySingleton = new LazySingleton();
      }
      return lazySingleton;
    }
  }

  //  public static synchronized LazySingleton getInstance() {
  //
  //    if (lazySingleton == null) {
  //      lazySingleton = new LazySingleton();
  //    }
  //    return lazySingleton;
  //  }
}

代码做了简单的修改了，引入了锁的机制，在GetInstance函数中，每次调用我们都会上一把锁，保证只有一个goroutine执行它，这个时候并发的问题就解决了。不过现在不管什么情况下都会上一把锁，而且加锁的代价是很大的，有没有办法继续对我们的代码进行进一步的优化呢？

DoubleCheck 懒汉式

Golang Demo

package singleton

import "sync"

type LazySingleton struct {
}

var singleton *LazySingleton

var lock sync.Mutex

func GetInstense() *LazySingleton {
    if singleton == nil {
        lock.Lock()
        defer lock.Unlock()
        if singleton == nil {
            singleton = &LazySingleton{}
        }
    }

    return singleton
}

在上面的方法中，我们做了很多的工作就是为了在并发模式下让，GetInstance中的实例只创建一次。其实在golang中，有一个比较优雅的方式 once.Do 下面我们练下demo。

package singleton

import "sync"

type LazySingleton struct {
}

var singleton *LazySingleton
var once sync.Once

func GetInstense() *LazySingleton {
    once.Do(func() {
        singleton = &LazySingleton{}
    })
    return singleton
}

Java Demo

package tech.selinux.design.pattern.creational.singleton;

public class LazyDoubleCheckSingleton {
   // volatile 能够解决多线程访问的有序性
  private static volatile LazyDoubleCheckSingleton lazyDoubleCheckSingleton = null;

  private LazyDoubleCheckSingleton() {}

  public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
    if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
      synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
        if (lazyDoubleCheckSingleton == null) {
          lazyDoubleCheckSingleton = new LazyDoubleCheckSingleton();
        }
      }
    }
    return lazyDoubleCheckSingleton;
  }
}

静态内部类

对于java 而言，还可以使用静态内部类来实现。jvm 在类的初始化阶段（也就是class被加载后，并且被线程使用之前）,jvm 会取获取一个锁，这个锁可以同步多个线程对一个类的初始化。基于这个特性，我们可以实现基于静态内部类的，并且是线程安全的延迟初始化加载方案。

package tech.selinux.design.pattern.creational.singleton;

public class StaticInnerClassSingleton {
  private static class InnerClass {
    private static StaticInnerClassSingleton staticInnerClassSingleton =
        new StaticInnerClassSingleton();
  }

  public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
    return InnerClass.staticInnerClassSingleton;
  }
}

饿汉式单例模式

饿汉式指的是，在类加载时就完成对单例的创建。

package tech.selinux.design.pattern.creational.singleton;

public class HungrySingleton {

  // 声明为final的变量，必须在类加载时就完成赋值。
  private static final HungrySingleton hungrySingleton;

  static {
    hungrySingleton = new HungrySingleton();
  }

  public static HungrySingleton getInstance() {
    return hungrySingleton;
  }
}

枚举类型的单例模式

《Effective java》 中强烈推荐的一种线程安全的单例模式。

package tech.selinux.design.pattern.creational.singleton;

public enum EnumInstance {
  INSTANCE {
    @Override
    protected void printTest() {
      System.out.println(" Test");
    }
  };

  protected abstract void printTest();

  private Object data;

  public Object getData() {
    return data;
  }

  public void setData(Object data) {
    this.data = data;
  }

  public static EnumInstance getInstance() {
    return INSTANCE;
  }
}

容器单例

基于容器的单例模式很好理解，就是使用一个数据结构俩管理我们创建的一些单例对象。这种方式非常适合，在程序初始化的时候，就准备好一些单例资源，然后来进行调用。

package tech.selinux.design.pattern.creational.singleton;

import org.apache.commons.lang3.StringUtils;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class ContainerSingleton {

  private ContainerSingleton() {}

  private static Map<String, Object> singletonMap = new HashMap<String, Object>();

  public static void putInstance(String key, Object instance) {
    if (StringUtils.isNotBlank(key) && instance != null) {
      if (!singletonMap.containsKey(key)) {
        singletonMap.put(key, instance);
      }
    }
  }

  public static Object getInstance(String key) {
    return singletonMap.get(key);
  }
}

但是有一点需要注意，hashmap本身并不是线程安全的，所以在使用的时候需要根据自己的实际应用场景来判断。虽然HashTable是线程安全的，但是每次都要加锁，会严重影响性能。所以实际使用过程中需要进行一个折中。

基于ThreadLocal的「单例」模式

这种模式的单例模式并不是全局唯一，但是在多线程运行环境中，却能够保证每个线程内部的单例唯一。

package tech.selinux.design.pattern.creational.singleton;

/** 不能保证应用全局唯一，但是能够保证线程内部唯一。 */
public class ThreadLocalInstance {
  private static final ThreadLocal<ThreadLocalInstance> threadLocalInstanceThreadLocal =
      new ThreadLocal<ThreadLocalInstance>() {
        @Override
        protected ThreadLocalInstance initialValue() {
          return new ThreadLocalInstance();
        }
      };

  private ThreadLocalInstance() {}

  public static ThreadLocalInstance getInstance() {
    return threadLocalInstanceThreadLocal.get();
  }
}

补充另一个版本的Java/Scala Demo 以及源码解析

Java Demo_

Scala Demo

UML_

源码解析