第 5 章 单例设计模式

5.1 单例设计模式介绍

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)。

• 比如 Hibernate 的 SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建 Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够，这是就会使用到单例模式。

单例设计模式八种方式：

• 饿汉式(静态常量)
• 饿汉式（静态代码块）
• 懒汉式(线程不安全)
• 懒汉式(线程安全，同步方法)
• 懒汉式(线程安全，同步代码块)
• 双重检查 🍒
• 静态内部类 🍒
• 枚举 🍒

5.2 饿汉式

5.2.1 静态常量

步骤如下：

• 1. 构造器私有化 (防止 new)
• 2. 类的内部创建对象
• 3. 向外暴露一个静态的公共方法。getInstance
• 4. 代码实现

//饿汉式(静态变量)
class Singleton {
	
	//1. 构造器私有化, 外部能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，返回实例对象
	public static Singleton getInstance() {
		return instance;
	}
}

优缺点说明：

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

2. 缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 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. 这种方式基于 classloder 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，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是导致类装载的原因有很多种，因此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 就没有达到 lazy loading 的效果。

4. 结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费。不过有些时候可以使用该模式，比如单例对象一定会被使用到时，如 JDK 中，java.lang.Runtime 就是经典的单例模式(饿汉式)

5.2.2 静态代码块

//饿汉式(静态变量)
class Singleton {
	
	//1. 构造器私有化, 外部能new
	private Singleton() {	
	}
	
	//2.本类内部创建对象实例
	private  static Singleton instance;
	
	static { // 在静态代码块中，创建单例对象
		instance = new Singleton();
	}
	
	//3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
	public static Singleton getInstance() {
		return instance;
	}	
}

优缺点说明：

• 1. 这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载 的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
• 2. 结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费。

5.3 懒汉式

5.3.1 线程不安全

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
	//即懒汉式
	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。
• 3. 结论：在实际开发中，不要使用这种方式。

5.3.2 线程安全，同步方法

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
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，解决线程安全问题
	//即懒汉式
	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，每个线程在想获得类的实例时候，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。
• 3. 结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

5.3.3 线程不安全，同步代码块

// 懒汉式(线程不安全，同步方法)
class Singleton {
	private static volatile Singleton instance;
	
	private Singleton() {}
	
	//提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
	//同时保证了效率, 推荐使用
	
	public static Singleton getInstance() {
		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，因为前面同步方法效率太低，改为同步产生实例化的的代码块。
• 2. 但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第 3 种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了 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。

5.4 双重检查（面试考过）

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
	private static volatile Singleton instance; //🍓 volatile
	
	private Singleton() {}
	
	//提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
	//同时保证了效率, 推荐使用
	
	public static Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
			synchronized (Singleton.class) {
				if(instance == null) {
					instance = new Singleton();
				}
			}
			
		}
		return instance;
	}
}

volatile 作用，正确的双重检查锁定模式需要需要使用 volatile 。其主要包含两个功能：

• 保证可见性。使用 volatile 定义的变量，将会保证对所有线程的可见性。
• 禁止指令重排序优化（此处用到该特性）。由于 volatile 禁止对象创建时指令之间重排序，所以其他线程不会访问到一个未初始化的对象，从而保证安全性。

优缺点说明：

1. Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，进行了两次 if (singleton == null) 检查，这样就可以保证线程安全了。
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，也避免的反复进行方法同步。
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。

5.5 静态内部类

// 静态内部类完成， 推荐使用
// 外部类装载时，静态内部类并不会跟着装载，只有在使用该静态内部类时，才会类加载。
class Singleton {
	private static volatile Singleton instance;
	
	//构造器私有化
	private Singleton() {}
	
	//写一个静态内部类,该类中有一个静态属性 Singleton
	private static class SingletonInstance {
		private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
	}
	
	//提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE
	
	public static synchronized Singleton getInstance() {
		
		return SingletonInstance.INSTANCE;
	}
}

优缺点说明：

1. 这种方式采用了类装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，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 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。
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。

5.6 枚举

//使用枚举，可以实现单例, 推荐
enum Singleton {
	INSTANCE; //属性
	public void sayOK() {
		System.out.println("ok~");
	}
}

优缺点说明：

1. 这借助 JDK1.5 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。

5.7 单例模式注意事项和细节说明

1. 单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，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的对象、创建对象时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)。

资料来源于 哔哩哔哩 尚硅谷 韩顺平老师 Java 设计模式