創(chuàng)建型模式悴能，共五種：

• 單例 Singleton
• 原型 Prototype
• 抽象工廠 Abstract Factory
• 工廠方法 Factory Method
• 建造者 Builder

1 單例模式（Singleton）

描述

確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，并提供該實(shí)例的全局訪問點(diǎn)速勇。

實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

• 一個(gè)私有靜態(tài)變量
• 一個(gè)私有構(gòu)造函數(shù)
• 一個(gè)公有靜態(tài)函數(shù)

實(shí)現(xiàn)方式

Ⅰ 餓漢式-線程安全

線程不安全問題主要是由于 uniqueInstance 被實(shí)例化多次，采取直接實(shí)例化 uniqueInstance 的方式就不會(huì)產(chǎn)生線程不安全問題椿争。

但是直接實(shí)例化的方式也丟失了延遲實(shí)例化帶來的節(jié)約資源的好處亮曹。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

Ⅱ 懶漢式-線程不安全

以下實(shí)現(xiàn)中，私有靜態(tài)變量 uniqueInstance 被延遲實(shí)例化横浑，這樣做的好處是，如果沒有用到該類屉更，那么就不會(huì)實(shí)例化 uniqueInstance徙融，從而節(jié)約資源。

這個(gè)實(shí)現(xiàn)在多線程環(huán)境下是不安全的瑰谜，如果多個(gè)線程能夠同時(shí)進(jìn)入 if (uniqueInstance == null) 欺冀，并且此時(shí) uniqueInstance 為 null，那么會(huì)有多個(gè)線程執(zhí)行 uniqueInstance = new Singleton(); 語句萨脑，這將導(dǎo)致實(shí)例化多次 uniqueInstance隐轩。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

Ⅲ 懶漢式-線程安全

只需要對 getUniqueInstance() 方法加鎖，那么在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只能有一個(gè)線程能夠進(jìn)入該方法渤早，從而避免了實(shí)例化多次 uniqueInstance职车。

但是當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入該方法之后，其它試圖進(jìn)入該方法的線程都必須等待鹊杖，即使 uniqueInstance 已經(jīng)被實(shí)例化了悴灵。這會(huì)讓線程阻塞時(shí)間過長，因此該方法有性能問題骂蓖，不推薦使用积瞒。

public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
    if (uniqueInstance == null) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
    return uniqueInstance;
}

Ⅳ 雙重校驗(yàn)鎖-線程安全

uniqueInstance 只需要被實(shí)例化一次，之后就可以直接使用了登下。加鎖操作只需要對實(shí)例化那部分的代碼進(jìn)行茫孔，只有當(dāng) uniqueInstance 沒有被實(shí)例化時(shí)，才需要進(jìn)行加鎖被芳。

雙重校驗(yàn)鎖先判斷 uniqueInstance 是否已經(jīng)被實(shí)例化缰贝，如果沒有被實(shí)例化，那么才對實(shí)例化語句進(jìn)行加鎖畔濒。

public class Singleton {

    /**
    * 雙重檢查鎖定的問題是：并不能保證它會(huì)在單處理器或多處理器計(jì)算機(jī)上順利運(yùn)行剩晴。
    *
    * 雙重檢查鎖定失敗的問題并不歸咎于 JVM 中的實(shí)現(xiàn) bug，而是歸咎于 Java 平臺(tái)內(nèi)存模型篓冲。
    * 內(nèi)存模型允許所謂的“無序?qū)懭搿崩钇疲@也是這些習(xí)語失敗的一個(gè)主要原因。
    * 使用volatile壹将，Java線程內(nèi)存模型確保所有線程看到這個(gè)變量的值是一致的嗤攻，同時(shí)還會(huì)禁止指令重排序
    */
    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        /**
         * 第一次檢查：避免線程競爭鎖而造成性能浪費(fèi)
         * 只對未初始化的對象加鎖，若已有實(shí)例就不需要加鎖诽俯，優(yōu)化性能
         */
        if (uniqueInstance == null) {
            // 線程都是對這個(gè)單例類進(jìn)行訪問妇菱，因此需要鎖的是這個(gè)類對象！
            synchronized (Singleton.class) {
                /**
                 * 第二次檢查：正真的加鎖判斷
                 * 能攔截除第一個(gè)獲得對象鎖線程以外的線程暴区，保證線程安全
                 */
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

考慮下面的實(shí)現(xiàn)闯团，也就是只使用了一個(gè) if 語句。在 uniqueInstance == null 的情況下仙粱，如果兩個(gè)線程都執(zhí)行了 if 語句房交，那么兩個(gè)線程都會(huì)進(jìn)入 if 語句塊內(nèi)。雖然在 if 語句塊內(nèi)有加鎖操作伐割，但是兩個(gè)線程都會(huì)執(zhí)行 uniqueInstance = new Singleton(); 這條語句候味，只是先后的問題，那么就會(huì)進(jìn)行兩次實(shí)例化隔心。因此必須使用雙重校驗(yàn)鎖白群，也就是需要使用兩個(gè) if 語句：第一個(gè) if 語句用來避免 uniqueInstance 已經(jīng)被實(shí)例化之后的加鎖操作，而第二個(gè) if 語句進(jìn)行了加鎖硬霍，所以只能有一個(gè)線程進(jìn)入帜慢，就不會(huì)出現(xiàn) uniqueInstance == null 時(shí)兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行實(shí)例化操作。

if (uniqueInstance == null) {
    synchronized (Singleton.class) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
}

uniqueInstance 采用 volatile 關(guān)鍵字修飾也是很有必要的唯卖， uniqueInstance = new Singleton(); 這段代碼其實(shí)是分為三步執(zhí)行：

1. 為 uniqueInstance 分配內(nèi)存空間
2. 初始化 uniqueInstance
3. 將 uniqueInstance 指向分配的內(nèi)存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性粱玲，執(zhí)行順序有可能變成 1>3>2。指令重排在單線程環(huán)境下不會(huì)出現(xiàn)問題拜轨，但是在多線程環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致一個(gè)線程獲得還沒有初始化的實(shí)例密幔。例如，線程 T₁ 執(zhí)行了 1 和 3撩轰，此時(shí) T₂ 調(diào)用 getUniqueInstance() 后發(fā)現(xiàn) uniqueInstance 不為空胯甩，因此返回 uniqueInstance，但此時(shí) uniqueInstance 還未被初始化堪嫂。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排偎箫，保證在多線程環(huán)境下也能正常運(yùn)行。

Ⅴ 靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)

當(dāng) Singleton 類被加載時(shí)皆串，靜態(tài)內(nèi)部類 SingletonHolder 沒有被加載進(jìn)內(nèi)存淹办。只有當(dāng)調(diào)用 getUniqueInstance() 方法從而觸發(fā) SingletonHolder.INSTANCE 時(shí) SingletonHolder 才會(huì)被加載，此時(shí)初始化 INSTANCE 實(shí)例恶复，并且 JVM 能確保 INSTANCE 只被實(shí)例化一次怜森。

這種方式不僅具有延遲初始化的好處速挑，而且由 JVM 提供了對線程安全的支持。

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

單例模式并不是絕對安全的副硅，可以通過反射來破壞姥宝，反射獲得單例類的構(gòu)造函數(shù)，由于該構(gòu)造函數(shù)是private的恐疲，通過setAccessible(true)指示反射的對象在使用時(shí)應(yīng)該取消 Java 語言訪問檢查腊满，使得私有的構(gòu)造函數(shù)能夠被訪問，這樣使得單例模式失效培己。

解決方案：

1. 要防止構(gòu)造函數(shù)被成功調(diào)用兩次碳蛋。需要在構(gòu)造函數(shù)中對實(shí)例化次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，大于一次就拋出異常省咨。
2. 枚舉安全類來實(shí)現(xiàn)絕對安全肃弟。

Ⅵ 枚舉實(shí)現(xiàn)

public enum Singleton {

    INSTANCE;

    private String objName;


    public String getObjName() {
        return objName;
    }


    public void setObjName(String objName) {
        this.objName = objName;
    }


    public static void main(String[] args) {

        // 單例測試
        Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
        firstSingleton.setObjName("firstName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
        secondSingleton.setObjName("secondName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        System.out.println(secondSingleton.getObjName());

        // 反射獲取實(shí)例測試
        try {
            Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
            for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
                System.out.println(enumConstant.getObjName());
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

firstName
secondName
secondName
secondName

該實(shí)現(xiàn)可以防止反射攻擊。該實(shí)現(xiàn)在多次序列化和序列化之后零蓉，不會(huì)得到多個(gè)實(shí)例愕乎。而其它實(shí)現(xiàn)需要使用 transient 修飾所有字段，并且實(shí)現(xiàn)序列化和反序列化的方法壁公。

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1. 在單例模式中感论，活動(dòng)的單例只有一個(gè)實(shí)例，對單例類的所有實(shí)例化得到的都是相同的一個(gè)實(shí)例紊册。這樣就 防止其它對象對自己的實(shí)例化比肄，確保所有的對象都訪問一個(gè)實(shí)例
2. 單例模式具有一定的伸縮性，類自己來控制實(shí)例化進(jìn)程囊陡，類就在改變實(shí)例化進(jìn)程上有相應(yīng)的伸縮性芳绩。
3. 提供了對唯一實(shí)例的受控訪問。
4. 由于在系統(tǒng)內(nèi)存中只存在一個(gè)對象撞反，因此可以 節(jié)約系統(tǒng)資源妥色，當(dāng) 需要頻繁創(chuàng)建和銷毀的對象時(shí)單例模式無疑可以提高系統(tǒng)的性能。
5. 允許可變數(shù)目的實(shí)例遏片。
6. 避免對共享資源的多重占用嘹害。

缺點(diǎn)：

1. 不適用于變化的對象，如果同一類型的對象總是要在不同的用例場景發(fā)生變化吮便，單例就會(huì)引起數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤笔呀，不能保存彼此的狀態(tài)。
2. 由于單利模式中沒有抽象層髓需，因此單例類的擴(kuò)展有很大的困難许师。
3. 單例類的職責(zé)過重，在一定程度上違背了“單一職責(zé)原則”。
4. 濫用單例將帶來一些負(fù)面問題微渠，如為了節(jié)省資源將數(shù)據(jù)庫連接池對象設(shè)計(jì)為的單例類搭幻，可能會(huì)導(dǎo)致共享連接池對象的程序過多而出現(xiàn)連接池溢出；如果實(shí)例化的對象長時(shí)間不被利用逞盆，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為是垃圾而被回收檀蹋，這將導(dǎo)致對象狀態(tài)的丟失。

使用注意事項(xiàng)：

1. 使用時(shí)不能用反射模式創(chuàng)建單例纳击，否則會(huì)實(shí)例化一個(gè)新的對象
2. 使用懶單例模式時(shí)注意線程安全問題
3. 餓單例模式和懶單例模式構(gòu)造方法都是私有的续扔，因而是不能被繼承的攻臀，有些單例模式可以被繼承（如登記式模式）

適用場景：

單例模式只允許創(chuàng)建一個(gè)對象焕数，因此節(jié)省內(nèi)存，加快對象訪問速度刨啸，因此對象需要被公用的場合適合使用堡赔，如多個(gè)模塊使用同一個(gè)數(shù)據(jù)源連接對象等等。如：
1.需要頻繁實(shí)例化然后銷毀的對象设联。
2.創(chuàng)建對象時(shí)耗時(shí)過多或者耗資源過多善已，但又經(jīng)常用到的對象。
3.有狀態(tài)的工具類對象离例。
4.頻繁訪問數(shù)據(jù)庫或文件的對象换团。
以下都是單例模式的經(jīng)典使用場景：
1.資源共享的情況下，避免由于資源操作時(shí)導(dǎo)致的性能或損耗等宫蛆。如上述中的日志文件艘包，應(yīng)用配置。
2.控制資源的情況下耀盗，方便資源之間的互相通信想虎。如線程池等。

應(yīng)用場景舉例：

1.外部資源：每臺(tái)計(jì)算機(jī)有若干個(gè)打印機(jī)叛拷，但只能有一個(gè)PrinterSpooler舌厨，以避免兩個(gè)打印作業(yè)同時(shí)輸出到打印機(jī)。內(nèi)部資源：大多數(shù)軟件都有一個(gè)（或多個(gè)）屬性文件存放系統(tǒng)配置忿薇，這樣的系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)對象管理這些屬性文件

2. Windows的Task Manager（任務(wù)管理器）就是很典型的單例模式（這個(gè)很熟悉吧）裙椭，想想看，是不是呢署浩，你能打開兩個(gè)windows task manager嗎骇陈？ 不信你自己試試看哦~
3. windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的單例應(yīng)用。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中瑰抵，回收站一直維護(hù)著僅有的一個(gè)實(shí)例你雌。
4. 網(wǎng)站的計(jì)數(shù)器，一般也是采用單例模式實(shí)現(xiàn)，否則難以同步婿崭。
5. 應(yīng)用程序的日志應(yīng)用拨拓，一般都何用單例模式實(shí)現(xiàn)，這一般是由于共享的日志文件一直處于打開狀態(tài)氓栈，因?yàn)橹荒苡幸粋€(gè)實(shí)例去操作渣磷，否則內(nèi)容不好追加。
6. Web應(yīng)用的配置對象的讀取授瘦，一般也應(yīng)用單例模式醋界，這個(gè)是由于配置文件是共享的資源。
7. 數(shù)據(jù)庫連接池的設(shè)計(jì)一般也是采用單例模式提完，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫連接是一種數(shù)據(jù)庫資源形纺。數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)中使用數(shù)據(jù)庫連接池，主要是節(jié)省打開或者關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接所引起的效率損耗徒欣，這種效率上的損耗還是非常昂貴的逐样，因?yàn)楹斡脝卫Ｊ絹砭S護(hù)，就可以大大降低這種損耗打肝。
8. 多線程的線程池的設(shè)計(jì)一般也是采用單例模式脂新，這是由于線程池要方便對池中的線程進(jìn)行控制。
9. 操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)粗梭，也是大的單例模式實(shí)現(xiàn)的具體例子争便，一個(gè)操作系統(tǒng)只能有一個(gè)文件系統(tǒng)。
10. HttpApplication 也是單位例的典型應(yīng)用断医。熟悉ASP.Net(IIS)的整個(gè)請求生命周期的人應(yīng)該知道HttpApplication也是單例模式滞乙，所有的HttpModule都共享一個(gè)HttpApplication實(shí)例.

應(yīng)用舉例

• Logger Classes
• Configuration Classes
• Accesing resources in shared mode
• Factories implemented as Singletons

JDK中使用場景

• java.lang.Runtime#getRuntime()
• java.awt.Desktop#getDesktop()
• java.lang.System#getSecurityManager()

2 原型模式（Prototype）

Intent

使用原型實(shí)例指定要?jiǎng)?chuàng)建對象的類型，通過復(fù)制這個(gè)原型來創(chuàng)建新對象孩锡。

Class Diagram

image

Implementation

public abstract class Prototype {
    abstract Prototype myClone();
}

public class ConcretePrototype extends Prototype {

    private String filed;

    public ConcretePrototype(String filed) {
        this.filed = filed;
    }

    @Override
    Prototype myClone() {
        return new ConcretePrototype(filed);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return filed;
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Prototype prototype = new ConcretePrototype("abc");
        Prototype clone = prototype.myClone();
        System.out.println(clone.toString());
    }
}

abc

JDK

• java.lang.Object#clone()

3 抽象工廠（Abstract Factory）

Intent

提供一個(gè)接口酷宵，用于創(chuàng)建 相關(guān)的對象家族 。

Class Diagram

抽象工廠模式創(chuàng)建的是對象家族躬窜，也就是很多對象而不是一個(gè)對象浇垦，并且這些對象是相關(guān)的，也就是說必須一起創(chuàng)建出來荣挨。而工廠方法模式只是用于創(chuàng)建一個(gè)對象男韧，這和抽象工廠模式有很大不同。

抽象工廠模式用到了工廠方法模式來創(chuàng)建單一對象默垄，AbstractFactory 中的 createProductA() 和 createProductB() 方法都是讓子類來實(shí)現(xiàn)此虑，這兩個(gè)方法單獨(dú)來看就是在創(chuàng)建一個(gè)對象，這符合工廠方法模式的定義口锭。

至于創(chuàng)建對象的家族這一概念是在 Client 體現(xiàn)朦前，Client 要通過 AbstractFactory 同時(shí)調(diào)用兩個(gè)方法來創(chuàng)建出兩個(gè)對象介杆，在這里這兩個(gè)對象就有很大的相關(guān)性，Client 需要同時(shí)創(chuàng)建出這兩個(gè)對象韭寸。

從高層次來看春哨，抽象工廠使用了組合，即 Cilent 組合了 AbstractFactory恩伺，而工廠方法模式使用了繼承赴背。

image

Implementation

public class AbstractProductA {
}

public class AbstractProductB {
}

public class ProductA1 extends AbstractProductA {
}

public class ProductA2 extends AbstractProductA {
}

public class ProductB1 extends AbstractProductB {
}

public class ProductB2 extends AbstractProductB {
}

public abstract class AbstractFactory {
    abstract AbstractProductA createProductA();
    abstract AbstractProductB createProductB();
}

public class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory {
    AbstractProductA createProductA() {
        return new ProductA1();
    }

    AbstractProductB createProductB() {
        return new ProductB1();
    }
}

public class ConcreteFactory2 extends AbstractFactory {
    AbstractProductA createProductA() {
        return new ProductA2();
    }

    AbstractProductB createProductB() {
        return new ProductB2();
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        AbstractFactory abstractFactory = new ConcreteFactory1();
        AbstractProductA productA = abstractFactory.createProductA();
        AbstractProductB productB = abstractFactory.createProductB();
        // do something with productA and productB
    }
}

JDK

• javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory
• javax.xml.transform.TransformerFactory
• javax.xml.xpath.XPathFactory

4 工廠方法（Factory Method）

Intent

定義了一個(gè)創(chuàng)建對象的接口，但由子類決定要實(shí)例化哪個(gè)類晶渠。工廠方法把實(shí)例化操作推遲到子類凰荚。

Class Diagram

在簡單工廠中，創(chuàng)建對象的是另一個(gè)類褒脯，而在工廠方法中便瑟，是由子類來創(chuàng)建對象。

下圖中憨颠，F(xiàn)actory 有一個(gè) doSomething() 方法胳徽，這個(gè)方法需要用到一個(gè)產(chǎn)品對象积锅，這個(gè)產(chǎn)品對象由 factoryMethod() 方法創(chuàng)建爽彤。該方法是抽象的，需要由子類去實(shí)現(xiàn)缚陷。

image

Implementation

public abstract class Factory {
    abstract public Product factoryMethod();
    public void doSomething() {
        Product product = factoryMethod();
        // do something with the product
    }
}

public class ConcreteFactory extends Factory {
    public Product factoryMethod() {
        return new ConcreteProduct();
    }
}

public class ConcreteFactory1 extends Factory {
    public Product factoryMethod() {
        return new ConcreteProduct1();
    }
}

public class ConcreteFactory2 extends Factory {
    public Product factoryMethod() {
        return new ConcreteProduct2();
    }
}

JDK

• java.util.Calendar
• java.util.ResourceBundle
• java.text.NumberFormat
• java.nio.charset.Charset
• java.net.URLStreamHandlerFactory
• java.util.EnumSet
• javax.xml.bind.JAXBContext

5 建造者/生成器模式（Builder）

Intent

封裝一個(gè)對象的構(gòu)造過程适篙，并允許按步驟構(gòu)造。

Class Diagram

image

Implementation

以下是一個(gè)簡易的 StringBuilder 實(shí)現(xiàn)箫爷，參考了 JDK 1.8 源碼嚷节。

public class AbstractStringBuilder {
    protected char[] value;

    protected int count;

    public AbstractStringBuilder(int capacity) {
        count = 0;
        value = new char[capacity];
    }

    public AbstractStringBuilder append(char c) {
        ensureCapacityInternal(count + 1);
        value[count++] = c;
        return this;
    }

    private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
        // overflow-conscious code
        if (minimumCapacity - value.length > 0)
            expandCapacity(minimumCapacity);
    }

    void expandCapacity(int minimumCapacity) {
        int newCapacity = value.length * 2 + 2;
        if (newCapacity - minimumCapacity < 0)
            newCapacity = minimumCapacity;
        if (newCapacity < 0) {
            if (minimumCapacity < 0) // overflow
                throw new OutOfMemoryError();
            newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
        }
        value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
    }
}

public class StringBuilder extends AbstractStringBuilder {
    public StringBuilder() {
        super(16);
    }

    @Override
    public String toString() {
        // Create a copy, don't share the array
        return new String(value, 0, count);
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        final int count = 26;
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            sb.append((char) ('a' + i));
        }
        System.out.println(sb.toString());
    }
}

abcdefghijklmnopqrstuvwxyz

JDK

• java.lang.StringBuilder
• java.nio.ByteBuffer
• java.lang.StringBuffer
• java.lang.Appendable
• Apache Camel builders

參考學(xué)習(xí)cyc2018大佬的筆記