工厂模式理解剖析以及应用

工厂模式

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。

意图

保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

解决问题

一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

应用环境举例

一个班级只有一个班主任。
Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点

在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点

没有接口
不能继承与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

注意

单例类只能有一个实例。
单例类必须自己创建自己的唯一实例。
单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

类图

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。

SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

创建一个 Singleton 类。

public class SingleObject {
 
   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
 
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
 
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
 
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

从 singleton 类获取唯一的对象。

public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //不合法的构造函数
      //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();
 
      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

其他实现

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。

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

懒汉式，线程安全

这种方式具备很好的 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。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

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

饿汉式

这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  
}

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

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。

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
        if (singleton == null) {  
            synchronized (Singleton.class) {  
                if (singleton == null) {  
                        singleton = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return singleton;  
    }  
}

为什么在同步代码块内还要再检验一次？

第一个if减少性能开销，第二个if避免生成多个对象实例。

现有三个线程A，B，C，假设线程A和线程B同时调用getSingleton()时，判断第一层if判断都为空，

线程A先拿到锁，线程B在代码块外层等待。线程A进行第二层if判断，条件成立后new了一个新对象，创建完成，释放锁，
线程B拿到锁，进行第二层if判断，singleton不为空，直接返回singleton释放锁，避免生成多个对象实例。
线程C调用getSingleton时第一层判断不成立，直接拿到singleton对象返回，避免进入锁，减少性能开销。

为什么要用volatile关键字？

singleton = new Singleton();这行代码并不是一个原子指令，可能会在JVM中进行指令重排；
new 实例背后的指令，我们通过使用 javap -c指令，查看字节码如下：

// 创建 Singleton 对象实例，分配内存
0: new           #5                 
// 复制栈顶地址，并再将其压入栈顶
3: dup
// 调用构造器方法，初始化 Singleton对象
4: invokespecial #6         // Method "<init>":()V
// 存入局部方法变量表
7: astore_1

从字节码可以看到创建一个对象实例，可以分为三步：

分配对象内存(给singleton分配内存)。
调用构造器方法，执行初始化（调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量）。
将对象引用赋值给变量(执行完这步 singleton 就为非 null 了)。

在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。指令重排并不影响单线程内的执行结果，但是在多线程内可能会影响结果。
也就是说上面的2和3的顺序是不能保证的，但是并不会重排序 1 的顺序，因为 2,3 指令需要依托 1 指令执行结果。
最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。

1-3-2

时间线	线程a	线程b
t1	分配内存
t2	变量赋值
t3		判断对象是否为null
t4		由于对象不为null，直接返回未被线程1初始化的对象，使用报错
t5	初始化对象

上面多线程执行的流程中，如果线程A获取到锁进入创建对象实例，这个时候发生了指令重排序。
当线程A 执行到 t3 时刻(singleton已经非null了，但是却没有初始化)，
此时线程 B 抢占了，由于此时singleton已经不为 Null，会直接返回 singleton对象，然后使用singleton对象，然而该对象还未初始化，就会报错。
我们只需将 singleton 变量声明成 volatile 就可以禁止指令重排，避免这种现象发生。

静态内部类

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。

这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。

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

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，它跟饿汉式不同的是：

饿汉式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），
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就显得很合理。

登记式

登记式单例实际上维护的是一组单例类的实例，将这些实例存储到一个Map(登记簿)中，对于已经登记过的单例，则从工厂直接返回，对于没有登记的，则先登记，而后返回

import java.util.HashMap;    
public class RegSingleton{
    //使用一个map来当注册表
    static private HashMap registry=new HashMap();    
    //静态块，在类被加载时自动执行，把RegistSingleton自己也纳入容器管理    
    Static{    
        RegSingleton rs=new RegSingleton();    
        Registry.put(rs.getClass().getName(),rs);    
    }    
    //受保护的默认构造函数，如果为继承关系，则可以调用，克服了单例类不能为继承的缺点    
    protected RegSingleton(){}    
    //静态工厂方法，返回此类的唯一实例    
    public static RegSingleton getInstance(String name){    
        if(name==null){    
            name="RegSingleton";    
        }
        if(registry.get(name)==null){    
            try{    
                registry.put(name,Class.forName(name).newInstance());    
            }catch(Exception ex){
                ex.printStackTrace();
            }    
        }    
        return (RegSingleton)registry.get(name);    
    }    
}

其实登记式单例并没有去改变类，他所做的就是起到一个登记的作用，如果没有登记，他就给你登记，并把生成的实例保存起来，下次你要用的时候直接给你。
登记试单例可以继承

枚举

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。

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

感谢查阅

一般情况下，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，可以考虑使用双检锁方式。

洛玖随笔

【设计模式】Singleton Pattern 单例模式