设计模式

所有的源码请参考 https://gitee.com/zyxscuec/Design-pattern.git

一、创造型设计模式

1.1 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。

单例模式的类结构图

注意：

• 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。

这种很常见的应用在了spring的applicationContext.xml，在Servlet中的ServletContext、ServletConfig、

1.1.1 饿汉式单例模式

Spring 中 IOC 容器 ApplicationContext 本身就是典型的饿汉式单例

饿汉式单例是在类加载的时候就立即初始化，并且创建单例对象。绝对线程安全，在线
程还没出现以前就是实例化了，不可能存在访问安全问题。

• 优点：没有加任何的锁、执行效率比较高，在用户体验上来说，比懒汉式更好。
• 缺点：类加载的时候就初始化，不管用与不用都占着空间，浪费了内存。

package com.alibaba.design.singlepattern;/*** @author zhouyanxiang* @create 2020-07-2020/7/28-15:51* 先静态后动态* 先属性后方法* 先上后下*/
public class HungrySingleton {private static final HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();private HungrySingleton(){}public static HungrySingleton getInstance(){return hungrySingleton;}
}

或者也可以用下面这样，在静态代码块中去实例化。

package com.alibaba.design.singlepattern;//饿汉式静态块单例
public class HungryStaticSingleton {private static final HungryStaticSingleton hungrySingleton;static {hungrySingleton = new HungryStaticSingleton();}private HungryStaticSingleton(){}public static HungryStaticSingleton getInstance(){return  hungrySingleton;}
}

1.1.2 懒汉式单例模式

（类加载时不初始化）

（1）线程不安全的情况

创建一个最简单的懒汉式单例模式，在不加synchronized的前提下是容易出现线程不安全的状况

package com.alibaba.design.singlepattern.lazy;/*** Created by Tom.*///懒汉式单例
//在外部需要使用的时候才进行实例化
public class LazySimpleSingleton {private LazySimpleSingleton(){}//静态块，公共内存区域private static LazySimpleSingleton lazy = null;public /*synchronized*/ static LazySimpleSingleton getInstance(){if(lazy == null){lazy = new LazySimpleSingleton();}return lazy;}
}

创建线程池，开辟线程

package com.alibaba.design.singlepattern.test;import com.alibaba.design.singlepattern.lazy.LazySimpleSingleton;/*** @author zhouyanxiang* @create 2020-07-2020/7/28-16:23*/
public class ThreadSingletonTest implements  Runnable{@Overridepublic void run() {LazySimpleSingleton singleton =  LazySimpleSingleton.getInstance();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + singleton);}
}

测试懒汉式单例模式的线程

package com.alibaba.design.singlepattern.test;import com.alibaba.design.singlepattern.lazy.LazySimpleSingleton;/*** @author zhouyanxiang* @create 2020-07-2020/7/28-16:22*/
public class LazySimpleSingletonTest {public static void main(String[] args) {System.out.println("=============");Thread t1 = new Thread(new ThreadSingletonTest());Thread t2 = new Thread(new ThreadSingletonTest());Thread t3 = new Thread(new ThreadSingletonTest());Thread t4 = new Thread(new ThreadSingletonTest());Thread t5 = new Thread(new ThreadSingletonTest());t1.start();t2.start();t3.start();t4.start();t5.start();System.out.println("=============");}
}

正常情况下应该是每次都会是相同的实例

不过如果运行多次，也有一定的概率出现不同的实例

如图所示，出现了多个不同的单例，由此可见在多线程的情况下是容易出现多个实例的，这样是不安全的。

（2）线程安全的情况

1. 实例化的方法上加synchronized同步锁

为了解决这个不安全的状况，可以在实例化方法那里加上synchronized关键字

package com.alibaba.design.singlepattern.lazy;/*** Created by Tom.*///懒汉式单例
//在外部需要使用的时候才进行实例化
public class LazySimpleSingleton {private LazySimpleSingleton(){}//静态块，公共内存区域private static LazySimpleSingleton lazy = null;public synchronized static LazySimpleSingleton getInstance(){if(lazy == null){lazy = new LazySimpleSingleton();}return lazy;}
}

然后我开辟了100个线程随机测试，测试多次每次得到的实例对象都是同一个，解决了线程不安全的问题

package com.alibaba.design.singlepattern.test;import com.alibaba.design.singlepattern.lazy.LazySimpleSingleton;/*** @author zhouyanxiang* @create 2020-07-2020/7/28-16:22*/
public class LazySimpleSingletonTest {public static void main(String[] args) {System.out.println("=============");
//        Thread t1 = new Thread(new ThreadSingletonTest());
//        Thread t2 = new Thread(new ThreadSingletonTest());
//        Thread t3 = new Thread(new ThreadSingletonTest());
//        Thread t4 = new Thread(new ThreadSingletonTest());
//        Thread t5 = new Thread(new ThreadSingletonTest());
//        t1.start();
//        t2.start();
//        t3.start();
//        t4.start();
//        t5.start();for (int i = 0; i < 100; i++) {Thread t = new Thread(new ThreadSingletonTest());t.start();}System.out.println("=============");}
}

2. 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

描述：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。

在私有成员变量的时候加上volatile关键字，初始化赋值null，真正的静态实例化方法中来个双重判断

package com.alibaba.design.singlepattern.lazy;/***@author zhouyanxiang* @create 2020-07-2020/7/28-18:22*/public class LazyDoubleCheckSingleton {private volatile static LazyDoubleCheckSingleton lazy = null;private LazyDoubleCheckSingleton(){}public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance(){if(lazy == null){synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class){if(lazy == null){lazy = new LazyDoubleCheckSingleton();//1.分配内存给这个对象//2.初始化对象//3.设置lazy指向刚分配的内存地址//4.初次访问对象}}}return lazy;}
}

3. 登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：一般

描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟 饿汉式单例模式方式不同的是：饿汉式单例模式方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比饿汉式单例模式 方式就显得很合理。

public class Singleton {  private static class SingletonHolder {  private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  }  private Singleton (){}  public static final Singleton getInstance() {  return SingletonHolder.INSTANCE;  }  
}

4. 效率很高且线程安全的实现方式

package com.alibaba.design.singlepattern.lazy;/***  @author zhouyanxiang*  @create 2020-07-2020/7/28-17:51*///懒汉式单例//这种形式兼顾饿汉式的内存浪费，也兼顾synchronized性能问题
//完美地屏蔽了这两个缺点
//史上最牛B的单例模式的实现方式
public class LazyInnerClassSingleton {//默认使用LazyInnerClassGeneral的时候，会先初始化内部类//如果没使用的话，内部类是不加载的private LazyInnerClassSingleton(){if(LazyHolder.LAZY != null){throw new RuntimeException("不允许创建多个实例");}}//每一个关键字都不是多余的//static 是为了使单例的空间共享//保证这个方法不会被重写，重载public static final LazyInnerClassSingleton getInstance(){//在返回结果以前，一定会先加载内部类return LazyHolder.LAZY;}//默认不加载private static class LazyHolder{private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();}
}

1.1.3 枚举

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

package com.alibaba.design.singlepattern;/*** @author zhouyanxiang* @create 2020-07-2020/7/28-21:37*/
public enum  EnumSingleton {Instance;public void doSomeThing(){System.out.println("Something has been done");}
}

单例模式小结

单例模式可以保证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。
单例模式看起来非常简单，实现起来其实也非常简单。

经验之谈：一般情况下，不建议使用线程不安全的和直接在实例化上加上synchronized关键字的懒汉方式，建议使用饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 3 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 2 种双检锁方式。