设计模式-单例模式

 

时间：2023/01/04

 

一. 单例模式介绍

作用：所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法（静态方法）。

实现方式（八种）：

1. 饿汉式（静态常量）

2. 饿汉式（静态代码块）

3. 懒汉式（线程不安全）

4. 懒汉式（线程安全，同步方法）

5. 懒汉式（线程不安全，同步代码块）

6. 双重检查

7. 静态内部类

8. 枚举

 

二. 饿汉式（静态常量）

步骤：

1. 构造器私有化

2. 类的内部创建对象

3. 向外暴露一个静态的公共方法

代码：

package singleton;

public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        System.out.println(instance == instance1);  // true
    }
}

class Singleton{
    // 1. 构造器私有化，外部不能new
    private Singleton(){

    }

    // 2. 本类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton();

    // 3. 提供一个公有的静态方法，返回对象实例
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

1. 优点：这种写法比较简单，就是在类加载的时候就完成了实例化。避免了线程同步问题。

2. 缺点：在类加载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading（懒加载）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。

3. 这种基于类加载的机制避免了多线程同步问题。但是在类加载时就进行实例化会存在很多问题，在单例模式中是通过调用getInstance方法来实现类加载，这种导致类加载的方式是我们希望看到的，因为我们调用getInstance方法就说明我们会用到这个单例对象，但是在实际中导致类加载的原因会有很多，如果不是通过调用getInstance方法导致类加载，就会出现我们不想使用单例对象，但是该对象却已经存在内存的情况，这会浪费内存空间，没有达到Lazy Loading的效果。

4. 结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费。

 

三. 饿汉式（静态代码块）

步骤：

1. 构造器私有化

2. 声明一个该类的对象

3. 在静态代码块中创建单例对象

4. 提供一个公有的静态方法，返回对象实例

package singleton;

public class SingletonTest02 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        System.out.println(instance == instance1);  // true
    }
}

class Singleton02{
    // 1. 构造器私有化，外部不能new
    private Singleton02(){

    }

    // 2. 声明一个该类的对象
    private static Singleton02 instance;

    // 3. 在静态代码块中创建单例对象
    static {
        instance = new Singleton02();
    }

    // 4. 提供一个公有的静态方法，返回对象实例
    public static Singleton02 getInstance(){
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

1. 与静态常量方法类似，优缺点和上面一样。

2. 结论： 这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费。

 

四. 懒汉式（线程不安全）

步骤：

1. 声明一个该类的静态私有对象

2. 构造器私有化

3. 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，采取创建该类的对象

package singleton.type3;

public class SingletonTest03 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        System.out.println(instance == instance1);  // true
    }
}

class Singleton{

    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

    // 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建instance（懒汉式）
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null)
            instance = new Singleton();
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

1. 起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。

2. 如果在多线程下，一个线程进入了if（singleton == null）判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式（因为会违反单例模式的初衷）。

3. 结论：在实际开发中，不要使用这种方式。

 

五. 懒汉式（线程安全，同步方法）

步骤：

1. 声明一个该类的静态私有对象

2. 构造器私有化

3. 提供一个静态的公有方法，加入同步处理代码，解决线程安全问题

package singleton.type4;

public class SingletonTest04 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        System.out.println(instance == instance1);  // true
    }
}

class Singleton{

    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

    // 提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码（synchronized），解决线程安全问题
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(instance == null)
            instance = new Singleton();
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

1. 解决了线程不安全问题。

2. 效率太低了，每个线程在想获取类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低。（每次调用getInstance()方法都需要同步，实际上真正实例化的只有一次）

3. 结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式。

 

六. 懒汉式（线程不安全，同步代码块）

1. 声明一个该类的静态私有对象

2. 构造器私有化

3. 提供一个静态的公有方法，加入同步处理块，但是无法解决线程安全问题

package singleton.type5;

public class SingletonTest05 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        System.out.println(instance == instance1);  // true
    }
}

class Singleton{

    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

    // 提供一个静态的公有方法
    public static Singleton getInstance(){
        // 同步代码块
        if(instance == null){
            synchronized (Singleton.class){
                instance = new Singleton();
            }
        }

        return instance;
    }
}

优缺点说明：

1. 这种方式，本意是想对第四种实现方式的改进，因为前面同步方式效率太低，改为同步产生实例化的代码块。

2. 但是这种同步并不能起到线程同步的作用。加入一个线程进入了if(singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。

3. 结论：在实际开发中，不能使用这种方式。

 

七. 双重检查

volatile关键字：一种轻量级的同步机制，保证可见性，不保证原子性，并且禁止指令重排。

具体可见参考：https://blog.csdn.net/u012723673/article/details/80682208

代码如下：

package singleton.type6;

public class SingletonTest06 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        System.out.println(instance == instance1);  // true
    }
}

class Singleton{

    // volatile: 一种轻量级的同步机制，保证可见性，不保证原子性，并且禁止指令重排。
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton(){}

    // 提供一个公有静态方法
    public static Singleton getInstance(){

        // 第一次检查
        if(instance == null){
            // 同步代码块
            synchronized (Singleton.class){
                // 第二次检查
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }

        return instance;
    }
}

双重检查的思想：假设有三个线程a、b、c，如果线程a和b已经通过了第一次检查，但是都还没有进入同步代码块，而线程c还没有进入第一次检查，此时如果线程a先进入同步代码块，则线程b不能进入，然后a通过第二次检查并创建对象，之后a会退出同步代码块，此时b就可以进入到同步代码块中，但是由于instance对象已经被创建，b就不会创建新的对象，保证了内存中只有一个对象，然后b退出同步代码块。对于线程c，它此时执行第一次检查，由于instance不为null，所以不会执行到同步代码块，这样会大大提高效率，解决了懒汉式（同步方法）存在的问题。

优缺点说明：

1. Double-Check（双重检查）概念是多线程开发中常使用到的，如上述代码中所示，我们进行了两次if(singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全。

2. 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，也避免了反复进行方法同步。

3. 线程安全，延迟加载，效率较高。

4. 结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式。

 

八. 静态内部类

代码如下：

package singleton.type7;

public class SingletonTest07 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        System.out.println(instance == instance1);  // true
    }
}

class Singleton{

    // 1. 构造器私有化
    private Singleton(){}

    // 2. 写一个静态内部类，该类中有一个静态属性instance
    private static class SingletonInstance{
        private static final Singleton instnace = new Singleton();
    }

    // 3. 提供一个静态公有方法
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonInstance.instnace;
    }

}

静态内部类方法利用了静态内部类的两个特点：

1. 当外部类被加载（装载）时，静态内部类不会被加载，这实现了Lazy Loading。

2. 当调用到了getInstance()方法时，静态内部类会被加载，该类只会被加载一次，而且类加载是线程安全的，所以不会有安全问题。

优缺点说明：

1. 这种方式采用了类加载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。

2. 静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装在SingletonInstance类，从而完成instance的实例化。

3. 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的的。

4. 优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高。

5. 结论：推荐使用。

 

九. 枚举

代码如下：

package singleton.type8;

public class SingletonTest08 {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.instance;
        Singleton instance1 = Singleton.instance;

        System.out.println(instance == instance1);  // true

        instance.sayOK();   // ok~
    }
}

enum Singleton{
    instance;   // 属性

    public void sayOK(){
        System.out.println("ok~");
    }
}

优缺点说明：

1. 借助JDK 1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。

2. 这种方式是Effective Java作者Josh Bloch提倡的方式。

3. 结论：推荐使用。

 

十. 单例模式注意事项和细节说明

注意事项和细节说明：

1. 单例模式保证了系统内存中只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。

2. 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new。

3. 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁对象、创建对象耗时过多或耗费资源过多（即：重量级对象），但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象（比如数据源、session工厂等）。