设计模式系列：创建型-单例模式（Singleton Pattern）

简介
应用场景
八种方式
源码中的应用
- JDK
  - JDK 中 java.lang.Runtime
  - JDK 中 java.lang.System
- Spring
  - Spring 中默认对于 Bean的创建
注意事项和细节说明

简介

单例设计模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。这种模式的主要目的是控制某个类只生成一个实例，并提供一个全局访问点。

单例模式的适用场景包括：需要频繁创建和销毁实例的类，或者创建和销毁实例开销较大的类；需要频繁进行实例化操作的类，或者实例化操作开销较大的类；类必须只有一个实例的类。

单例模式的优点包括：减少了系统性能开销，避免了频繁地创建和销毁对象；简化了系统结构，降低了系统的复杂度；便于资源的集中管理和控制。

单例模式的缺点包括：由于单例模式限制了类的实例数量，因此在某些情况下可能无法满足某些需求；单例模式的同步机制可能引起性能问题；单例模式的延迟加载可能会影响性能和可用性。

应用场景

数据库连接管理：在 Java 应用程序中，通常需要管理数据库连接。由于数据库连接是资源密集型的，因此需要限制其数量，以避免资源浪费。使用单例模式可以确保在整个应用程序中只有一个数据库连接实例，从而避免重复创建连接和关闭连接的开销。
日志记录：日志记录是 Java 应用程序中常见的功能，通常需要记录应用程序的运行状态和异常信息。使用单例模式可以确保在整个应用程序中只有一个日志记录器实例，从而避免重复创建记录器和关闭记录器的开销。
缓存管理：缓存是一种常用的优化手段，用于存储常用数据以提高性能。使用单例模式可以确保在整个应用程序中只有一个缓存管理器实例，从而避免重复创建缓存和清理缓存的开销。
线程池管理：线程池是 Java 中用于管理线程的常用工具，它可以避免线程的频繁创建和销毁带来的开销。使用单例模式可以确保在整个应用程序中只有一个线程池实例，从而避免重复创建线程池和关闭线程池的开销。
系统配置管理：在 Java 应用程序中，通常需要管理系统的配置信息，如配置文件、环境变量等。使用单例模式可以确保在整个应用程序中只有一个配置管理器实例，从而避免重复读取配置和更新配置的开销。

八种方式

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

1、饿汉式（静态常量）

1）构造器私有化（防止外部 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

package com.mcode.api.singleton.type1;

/**
 * ClassName: SingletonTest01
 * Package: com.mcode.api.singleton.type1
 * Description:
 *
 * @Author: robin
 * @Version: v1.0
 */
public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1); //true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance1.hashCode());
    }
}

//饿汉式（静态变量）
class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部创建对象
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

优缺点

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 getlnstance 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

2、饿汉式（静态代码块）

1）构造器私有化
2）类的内部声明对象
3）在静态代码块中创建对象
4）向外暴露一个静态的公共方法

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象
    private static Singleton instance;

    // 3、在静态代码块中创建对象
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    // 4、向外暴露一个静态的公共方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

public class SingletonTest02 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1); //true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance1.hashCode());
    }
}

优缺点

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

3、懒汉式（线程不安全）

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，当使用到该方法时，才去创建 instance

// 1、构造器私有化
private Singleton() {
}

// 2、类的内部声明对象
private static Singleton instance;

// 3、向外暴露一个静态的公共方法，当使用到该方法时，才去创建 instance
public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        instance = new Singleton();
    }
    return instance;
}

public class SingletonTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1); //true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance1.hashCode());
    }
}

优缺点

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，不要使用这种方式

4、懒汉式（线程安全，同步方法）

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，加入同步处理的代码，解决线程安全问题

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象
    private static Singleton instance;

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

public class SingletonTest4 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1); //true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance1.hashCode());
    }
}

优缺点

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getlnstance()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、懒汉式（线程不安全，同步代码块）

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，加入同步处理的代码块

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象
    private static Singleton instance;

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

public class SingletonTest5 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1); //true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance1.hashCode());
    }
}

优缺点

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

6、双重检查

1）构造器私有化
2）类的内部创建对象，同时用volatile关键字修饰修饰
3）向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码块，并进行双重判断，解决线程安全问题

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象，同时用`volatile`关键字修饰修饰
    private static volatile Singleton instance;

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码块，并进行双重判断，解决线程安全问题
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}


public class SingletonTest6 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1); //true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance1.hashCode());
    }
}

优缺点

1）Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，我们进行了两次检查，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

7、静态内部类

1）构造器私有化
2）定义一个静态内部类，内部定义当前类的静态属性
3）向外暴露一个静态的公共方法

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、定义一个静态内部类，内部定义当前类的静态属性
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.instance;
    }
}

public class SingletonTest7 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1); //true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance1.hashCode());
    }
}

优缺点

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getlnstance方法，才会装载 Singletonlnstance 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，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
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

8、枚举

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance1);
        Singleton.INSTANCE.sayHello();
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance);
        System.out.println("i8nstance1.hashCode=" + instance1);
    }

优缺点

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

源码中的应用

JDK

JDK 中 java.lang.Runtime

JDK 中 java.lang.Runtime 就是经典的单例模式

https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/lang/Runtime.java

JDK 中 java.lang.System

https://github.com/openjdk/jdk/blob/master/src/java.base/share/classes/java/lang/System.java#L288

Spring

Spring 中默认对于 Bean的创建

https://github.com/spring-projects/spring-framework/blob/main/spring-beans/src/main/java/org/springframework/beans/factory/support/DefaultSingletonBeanRegistry.java#L180C19-L180C31

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但又经常用到的对象（即：重量级对象）、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）

虽然上述提到的概念中，将双重检查、静态内部类、枚举三种方式的单例模式单独列举出来说明，但个人觉得本质也可以归类到饿汉式和懒汉式中；另外，同步代码块虽然上述中归类到线程安全，实际上并不是线程安全的

总结如下

饿汉式：静态常量、静态代码块、枚举（本质就是静态常量）
懒汉式
- 线程不安全：一次检查、同步代码块
- 线程安全：同步方法、双重检查、静态内部类

posted @ 2020-01-03 22:52 Code技术分享阅读(160) 评论(0) 编辑收藏举报

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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

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