单例模式(Singleton)

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
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
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)

单例模式的八种写法

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

饿汉式(静态常量)

步骤

构造器私有化（防止new）
类的内部创建对象
向外暴露一个静态的公共方法
代码实现

实现

package com.atguigu.singleton.type1;

public class SingletonTest01 {

   public static void main(String[] args) {
      //测试
      Singleton instance = Singleton.getInstance();
      Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
      System.out.println(instance == instance2); // true
      System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
      System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
   }

}

//饿汉式(静态变量)

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，返回实例对象
   public static Singleton getInstance() {
      return instance;
   }
   
}

【运行结果】

true
instance.hashCode=1554874502
instance2.hashCode=1554874502

Process finished with exit code 0

【分析】

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。
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
这种方式基于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，在单例模式中大多数都是调用get lnstance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
结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

饿汉式(静态代码块)

package com.atguigu.singleton.type2;

public class SingletonTest02 {

    public static void main(String[] args) {
        //测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

//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;
    }

}
static { // 在静态代码块中，创建单例对象
    instance = new Singleton();
}

【分析】

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
结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

懒汉式(线程不安全)

package com.atguigu.singleton.type3;


public class SingletonTest03 {

   public static void main(String[] args) {
      System.out.println("懒汉式1 ， 线程不安全~");
      Singleton instance = Singleton.getInstance();
      Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
      System.out.println(instance == instance2); // true
      System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
      System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
   }

}

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;
   }
}

【分析】

起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用
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
结论:在实际开发中，不要使用这种方式

懒汉式(线程安全，同步方法)

package com.atguigu.singleton.type4;


public class SingletonTest04 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式2 ， 线程安全~");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

// 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;
    }
}

添加synchronized关键字，这样子当一个线程在执行这个方法的时候，其他线程不能执行这个方法

【分析】

解决了线程不安全问题
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
结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

懒汉式(线程安全，同步代码块)

class Singleton {
    private static Singleton instance;

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

【分析】

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
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 == nul)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
结论：在实际开发中，不能使用这种方式

双重检查（推荐使用）

package com.atguigu.singleton.type6;


public class SingletonTest06 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("双重检查");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());

    }

}

class Singleton {
    //volatile：在Java中，volatile关键字可以保证变量的内存可见性。
    //当一个变量被声明为volatile时，编译器和处理器会注意到这个变量可能会被其他线程并发地访问。
    //这样可以避免线程之间的数据竞争，并确保多线程环境下变量的值是最新的。
    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) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

保证只有一个线程创建实例

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

【分析】

Double-Check概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了
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
线程安全；延迟加载；效率较高
在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

静态内部类（推荐使用）

package com.atguigu.singleton.type7;


public class SingletonTest07 {

   public static void main(String[] args) {
      System.out.println("使用静态内部类完成单例模式");
      Singleton instance = Singleton.getInstance();
      Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
      System.out.println(instance == instance2); // true
      System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
      System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
   }

}

// 静态内部类完成， 推荐使用
class Singleton {
   
   //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 Singleton getInstance() {
      return SingletonInstance.INSTANCE;
   }
}
private static class SingletonInstance {
  private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
}

【分析】

当加载类的时候，静态内部类是不会被加载的，调用getInstance()时，静态内部类才会被装载，而且只会装载一次
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
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Singletonlnstance类，从而完成Singleton的实例化
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
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
结论：推荐使用

枚举（推荐使用，而且很方便）

package com.atguigu.singleton.type8;

public class SingletonTest08 {
   public static void main(String[] args) {
      Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
      Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
      System.out.println(instance == instance2);
      
      System.out.println(instance.hashCode());
      System.out.println(instance2.hashCode());
      
      instance.sayOK();
   }
}

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

【运行】

true
1554874502
1554874502
ok~

【分析】

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

单例模式在JDK中的应用

在这里插入图片描述

联系

案例：3例模式

【题目】

请编写Triple类，实现最多只能生成3个Triple类的实例，实例编号分别为0,1,2且可以通过getInstance(int id)来获取该编号对应的实例（题目来源于《图解设计模式》）

【代码实现】

public class Triple {

    private static volatile Triple[] arr = new Triple[3];

    private Triple() {
    }

    public static Triple getInstance(int index) {
        if (index >= arr.length) {
            throw new RuntimeException("索引超出，示例数量只有" + arr.length + "个");
        }
        if (arr[index] == null) {
            synchronized (Triple.class) {
                if (arr[index] == null) {
                    arr[index] = new Triple();
                }
            }
        }
        return arr[index];
    }
}
public class TripleMain {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Start.");
        for (int i = 0; i < 9; i++) {
            Triple triple = Triple.getInstance(i % 3);
            System.out.println(i + ":" + triple);
        }
        System.out.println("End.");
    }
}

【运行】

Start.
0:com.atguigu.singleton.A2.Triple@5cad8086
1:com.atguigu.singleton.A2.Triple@6e0be858
2:com.atguigu.singleton.A2.Triple@61bbe9ba
3:com.atguigu.singleton.A2.Triple@5cad8086
4:com.atguigu.singleton.A2.Triple@6e0be858
5:com.atguigu.singleton.A2.Triple@61bbe9ba
6:com.atguigu.singleton.A2.Triple@5cad8086
7:com.atguigu.singleton.A2.Triple@6e0be858
8:com.atguigu.singleton.A2.Triple@61bbe9ba
End.