9.18

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单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的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。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。

注意：

• 1、单例类只能有一个实例。
• 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

 

概要

单例模式（Singleton Pattern）

意图

确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。

主要解决

频繁创建和销毁全局使用的类实例的问题。

何时使用

当需要控制实例数目，节省系统资源时。

如何解决

检查系统是否已经存在该单例，如果存在则返回该实例；如果不存在则创建一个新实例。

关键代码

构造函数是私有的。

应用实例

• 一个班级只有一个班主任。
• Windows 在多进程多线程环境下操作文件时，避免多个进程或线程同时操作一个文件，需要通过唯一实例进行处理。
• 设备管理器设计为单例模式，例如电脑有两台打印机，避免同时打印同一个文件。

优点

• 内存中只有一个实例，减少内存开销，尤其是频繁创建和销毁实例时（如管理学院首页页面缓存）。
• 避免资源的多重占用（如写文件操作）。

缺点

• 没有接口，不能继承。
• 与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心实例化方式。

使用场景

• 生成唯一序列号。
• WEB 中的计数器，避免每次刷新都在数据库中增加计数，先缓存起来。
• 创建消耗资源过多的对象，如 I/O 与数据库连接等。

注意事项

• 线程安全：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成实例被多次创建。
• 延迟初始化：实例在第一次调用 getInstance() 方法时创建。
• 序列化和反序列化：重写 readResolve 方法以确保反序列化时不会创建新的实例。
• 反射攻击：在构造函数中添加防护代码，防止通过反射创建新实例。
• 类加载器问题：注意复杂类加载环境可能导致的多个实例问题。

结构

单例模式包含以下几个主要角色：

• 单例类：包含单例实例的类，通常将构造函数声明为私有。
• 静态成员变量：用于存储单例实例的静态成员变量。
• 获取实例方法：静态方法，用于获取单例实例。
• 私有构造函数：防止外部直接实例化单例类。
• 线程安全处理：确保在多线程环境下单例实例的创建是安全的。

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

步骤 1

创建一个 Singleton 类。

SingleObject.java

public class SingleObject { //创建 SingleObject 的一个对象 private static SingleObject instance = new SingleObject(); //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化 private SingleObject(){} //获取唯一可用的对象 public static SingleObject getInstance(){ return instance; } public void showMessage(){ System.out.println("Hello World!"); } }

步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。

SingletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo { public static void main(String[] args) { //不合法的构造函数 //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的 //SingleObject object = new SingleObject(); //获取唯一可用的对象 SingleObject object = SingleObject.getInstance(); //显示消息 object.showMessage(); } }

步骤 3

执行程序，输出结果：

Hello World!

单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，如下所示：

1、懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

实现难度：易

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

实例

public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton (){} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; } }

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。

2、懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

实例

public class Singleton { private static Singleton instance; private Singleton (){} public static synchronized Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; } }

3、饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloader 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，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。

实例

public class Singleton { private static Singleton instance = new Singleton(); private Singleton (){} public static Singleton getInstance() { return instance; } }

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。

实例

public class Singleton { private volatile static Singleton singleton; private Singleton (){} public static Singleton getSingleton() { if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }

5、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：一般

描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

实例

public class Singleton { private static class SingletonHolder { private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); } private Singleton (){} public static final Singleton getInstance() { return SingletonHolder.INSTANCE; } }

6、枚举

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

实例

public enum Singleton { INSTANCE; public void whateverMethod() { } }

经验之谈：一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。