设计模式之单例模式（Singleton Pattern）
一、概述
单例模式是最简单的设计模式之一。此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。
这种模式包含一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保该类仅有一个实例。并且提供了一个访问其对象的全局访问点，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
总结：
- 单例模式中的类只能有一个实例。
- 该实例只能由自己创建，不可通过外部创建。
- 该类必须给外部对象一个访问点
二、应用实例
1、一个党只能有一个主席。
2、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。
3、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。
4、一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统
5.、一个系统只能有一个计时工具或ID(序号)生成器
三、实现方式
1.构造函数私有化
①类外不可创建对象
②构造函数私有化的函数不能被继承
2.提供静态方法创建成员
构造函数私有化-->类外不可创建对象-->初始时类外不能调用类内非静态公有函数-->在类内创建静态函数用来创建对象
四、类图
| instance | 私有静态指针变量，用于存储唯一对象的指针 |
| Singleton() | 私有构造方法，用于生成对象 |
| getInstance() | 公用方法，提供给用户一个接口来获得对象指针 |
五、实现分析
以上我们了解了单例模式的特点以及实现单例模式的思路。
然而单例模式中由于对象的初始化的时间不同产生了两种情况（懒汉与饿汉）：
①懒汉：顾名思义，它很懒，如果客户不需要实例，它就不会初始化对象，只有在客户需要时调用getInstance方法生成对象。
特点：用时间换空间，对象延时生成，只在需要时才会生成的方法节省了空间
饿汉：人在饿的时候都会饥不择食，所有此种情况在类加载时就生成对象
特点：用空间换时间，在类初始化时就生成对象，占用了内存，但在调用时不需要重新生成，节省了时间。
虽然以上我们分析的比较详细了，但是在计算机中，计算机运行结果不一定如我们所料，因为计算机内部充满着并发。所以在对单例模式进行初始化操作时，如果两个线程同时调用了getInstance方法，岂不是会形成两个对象，这就与我们的初衷相违背。所以之后我们介绍线程不安全和线程安全的两种实现形式。
六、代码及说明
1.C++
①懒汉、线程不安全
Code：
#include<iostream> using namespace std; class Singleton { private: static Singleton *instance; Singleton() { ///////; } public: static Singleton *getInstance() { if(!instance) instance=new Singleton(); return instance; } }; Singleton *Singleton::instance=NULL; int main() { Singleton *p=Singleton::getInstance(); Singleton *q=Singleton::getInstance(); cout<<p<<endl; cout<<q<<endl; }Result：
②懒汉，线程安全（加锁）
Code：
class Singleton { private: static Singleton *instance; Singleton() { pthread_mutex_init(&mutex,NULL); } public: static pthread_mutex_t mutex; static Singleton *getInstance() { pthread_mutex_lock(&mutex); if(!instance) instance=new Singleto(); pthread_mutex_unlock(&mutex); return instance; } }; pthread_mutex_t Singleton::mutex; Singleton *Singleton::instance=NULL;③懒汉，线程安全（内部静态变量）（推荐）
Code：
class Singleton{ private: Singleton() { ///////; } public: static Singleton *getInstance() { static Singleton instance; return &instance; } };④饿汉，线程安全（推荐）
Code：class Singleton { private: static Singleton *instance; Singleton() { ///////; } public: static Singleton *getInstance() { return instance; } }; Singleton *Singleton::instance=new Singleton(); 2.JAVA
①懒汉，线程不安全
Code：
public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton() { ///////; } public static Singleton getInstance() { if(instance==null) { instance=new Singleton(); } return instance; } public static void main(String args[]) { Singleton p=Singleton.getInstance(); Singleton q=Singleton.getInstance(); System.out.println(p); System.out.println(q); } } Result：
②懒汉，线程安全（加锁1）
但每次调用方法都会产生同步，所以性能不好
public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton() { ///////; } public static synchronized Singleton getInstance() { if(instance==null) { instance=new Singleton(); } return instance; } } ③懒汉，线程安全（加锁2，②的改进版）
只有第一次调用方法时，才进行同步，但是可能多线程同时第一次调用，都通过第一次判空，所以在同步时，应该再次进行判空。
public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton() { ///////; } public static Singleton getInstance() { if(instance==null) { synchronized(Singleton.class) { if(instance==null) instance=new Singleton(); } } return instance; } }④懒汉，线程安全（静态内部类）（推荐）
该方法利用了classloader的机制来保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗
public class Singleton { private Singleton() { ///////; } private static class LazyHolder { private static final Singleton instance=new Singleton(); } public static Singleton getInstance() { return LazyHolder.instance; } } ⑤饿汉，线程安全（推荐）
public class Singleton { private static Singleton instance=new Singleton(); private Singleton() { ///////; } public static Singleton getInstance() { return instance; } } 六、优缺点
1.优点
①实例控制
单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。
②灵活性
因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。
2.缺点
①开销
饿汉方式每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。
②可能的开发混淆
使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用new关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。
③对象生存期
不能解决删除单个对象的问题。在提供内存管理的语言中，只有单例类能够导致实例被取消分配，因为它包含对该实例的私有引用。在某些语言中（如 C++），其他类可以删除对象实例，但这样会导致单例类中出现悬浮引用。
本章为所有设计模式的第一章，在进行编写的时候查阅了很多资料并且学到了很多，希望和大家一起分享。
如果在编写的时候出现了错误（尤其是代码部分）还希望大家积极指正。也希望有独特见解的朋友能够不吝赐教，与君共勉。