设计模式——单例模式
单例模式
单例模式（Singleton Pattern）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。
单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。
实际应用
在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。
- 一个打印机可以链接两个电脑，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。
- 每台计算机可以有若干通信端口，避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。
- 一台计算机可以用多个进程或线程，不能让多个线程或者进程对同一个应用文件进行修改和访问
单例模式的特点
- 1、单例类只能有一个实例。
- 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
- 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
单例模式的优点
1. 节约系统资源：由于单例模式只允许创建一个实例，可以避免多次创建对象导致资源的浪费。
2. 方便资源共享：可以使用单例模式来管理全局变量或共享资源，方便数据共享和通信。
3. 全局访问点：通过单例模式可以提供一个全局的访问点，方便对对象的访问和操作。
单例模式的缺点
1. 破坏了单一职责原则：单例类的职责过重，既要负责自身的功能，又要负责管理自己的生命周期。
2. 难以扩展：由于单例类的实例被固定，难以扩展和修改。
3. 可能引起并发安全问题：多线程环境下，如果不加锁或者其他保护机制，可能会引起并发安全问题。
单例模式的几种实现方式
1、饿汉式（静态常量）
优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。
package com.example.singletontest;
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
2、饿汉式（静态代码块）
这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。
package com.example.singletontest;
/**
* 饿汉式单例模式(静态代码块)
*/
public class Singleton {
private static Singleton instance;
static {
instance = new Singleton();
}
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}3.懒汉式 （线程不安全）
这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。
/**
* 懒汉式单例模式，线程不安全
*/
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){
System.out.println("构造方法");
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}4.懒汉式 （线程安全）
这种方式解决上面第三种实现方式的线程不安全问题，具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，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。每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。
/**
* 懒汉式单例模式，线程安全
*/
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){
System.out.println("构造方法");
}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}5、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)，直接return实例化对象。
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。
优点：
1. 延迟加载：只有在需要时才会创建实例，避免了提前创建实例导致的资源浪费。
2. 节约性能：只有在第一次创建实例时才进行同步操作，避免了多次重复同步导致的性能损耗。
3. 线程安全：通过双重检查，在多线程环境下可以保证单例对象的创建过程线程安全。
缺点：
1. 可能会出现指令重排序问题：在一些特定的平台或编译器优化情况下，可能会出现指令重排序，导致双重检查失效。
2. 实现复杂：双重检查锁需要进行双重检查，实现起来比较复杂，容易出错。
3. 不适用于旧版Java：在旧版Java中，由于内存模型的问题，双重检查锁存在线程安全性隐患，需要使用volatile关键字进行修饰。
/**
* 懒汉式单例模式，双重检查
*/
public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){
System.out.println("构造方法");
}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}6、登记式/静态内部类
通过一个静态内部类来持有单例实例。在这种方式中，单例实例是在静态内部类被加载时进行初始化，实现了延迟加载和线程安全。
优点：
1. 线程安全：静态内部类只会被加载一次，保证了单例实例的线程安全性。
2. 延迟加载：单例实例的初始化是在静态内部类被加载时进行的，实现了延迟加载，节约了资源。
3. 简洁优雅：相比其他单例实现方式，静态内部类实现方式简洁明了，易于理解和维护。
缺点：
1. 无法传递参数：静态内部类的加载是在getInstance()方法中进行的，无法向构造函数传递参数，不适用于需要传入参数的场景。
2. 依赖JVM类加载机制：静态内部类的实现依赖JVM类加载机制，需要保证类加载时的线程安全性。
3. 无法防止反射攻击：静态内部类的实现方式无法防止反射攻击，可以通过反射调用私有构造函数来创建多个实例。
/**
* 懒汉式单例模式，内部类
*/
public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){
System.out.println("构造方法");
}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}7、枚举
枚举单例模式是一种使用枚举类型来实现单例模式的方式。在枚举中定义一个枚举常量INSTANCE，该枚举常量就是单例实例。枚举类型在Java中保证在任何情况下都只会被实例化一次，因此枚举单例模式是天然的线程安全的。
枚举单例模式的实现非常简单，只需要定义一个枚举类，其中只包含一个实例，且该实例在类加载时初始化。枚举单例模式避免了多线程同步的问题，同时也能防止反射和序列化的问题。
要使用枚举单例模式，只需要通过Singleton.INSTANCE来访问单例实例，无需实现复杂的单例模式逻辑。此外，枚举类型还具有序列化机制，可防止反序列化重新创建新的实例。
优点：
1. 线程安全：枚举类的实例由JVM保证只会被实例化一次，在任何情况下都是单例的，因此线程安全。
2. 简洁明了：枚举单例模式实现简单，直观，易于理解和维护。
3. 可防止反射攻击和序列化问题：枚举类型的实例在JVM中只会有一个，防止了反射攻击，而且枚举类默认实现了Serializable接口，可以防止序列化问题。
缺点：
1. 无法懒加载：枚举单例模式在类加载时就会初始化实例，无法实现延迟加载，会造成一定的资源浪费。
2. 无法传递参数：枚举类型不支持传递参数给构造函数，因此无法灵活地创建实例。
3. 限制较多：枚举类型不能被继承、不能被打破等，有一定的限制。
/**
* 枚举单例模式
*/
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void whateverMethod() {
}
}
