03-Java单例模式 ( Singleton Pattern )

单例模式

  • 单例模式设计要点
  • 单例模式基础实现
    • 摘要
    • 实现
    • 范例
  • 单例模式的几种实现方式
    • 1. 懒汉式，线程不安全
    • 2. 懒汉式，线程安全
    • 3. 饿汉式
    • 4. 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
    • 5. 登记式/静态内部类
    • 6. 枚举
    • 最佳实践

单例模式（Singleton Pattern）提供了一种创建对象的最佳方式
单例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

单例模式设计要点

  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；

单例模式属于创建型模式

单例模式基础实现

摘要

1. 意图

保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点

2. 主要解决

一个全局使用的类频繁地创建与销毁

3. 何时使用

当您想控制实例数目，节省系统资源的时候

4. 如何解决

判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建

5. 关键代码

构造函数是私有的

6. 应用实例

  • 一个党只能有一个主席；
  • Windows是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行；
  • 一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件；

7. 优点

  • 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）；
  • 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）；

8. 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，而不关心外面怎么样来实例化

9. 使用场景

  • 要求生产唯一序列号；
  • WEB中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来；
  • 创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如I/O与数据库的连接等；

10. 注意事项

  • 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 instance 被多次实例化

实现

在这里插入图片描述

  1. 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；
  2. SingletonPatternDemo使用SingleObject类来获取SingleObject对象；

范例

1.创建一个 Singleton 类.

SingleObject.java

package com.demo.gof;
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!");
   }
}

2. 从 singleton 类获取唯一的对象

SingletonPatternDemo.java

package com.demo.gof;
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();
   }
}

编译运行以上 Java 范例，输出结果如下

$ javac -d . src/main/com.demo/gof/SingletonPatternDemo.java
$ java  com.demo.gof.SingletonPatternDemo
Hello World!

单例模式的几种实现方式

1. 懒汉式，线程不安全

  1. 是否Lazy初始化：是；
  2. 是否多线程安全：否；
  3. 实现难度：易；
  4. 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

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  

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

下面几种都是线程安全的，支持多线程，但是在性能上有所差异

2. 懒汉式，线程安全

  1. 是否Lazy初始化：是；
  2. 是否多线程安全：是；
  3. 实现难度：易；
  4. 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）

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

  1. 是否Lazy初始化：否；
  2. 是否多线程安全：是；
  3. 实现难度：易；
  4. 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 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，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

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）

  1. JDK版本：JDK1.5起；
  2. 是否Lazy初始化：是；
  3. 是否多线程安全：是；
  4. 实现难度：较复杂；
  5. 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；
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

  1. 是否Lazy初始化：是；
  2. 是否多线程安全：是；
  3. 实现难度：一般；
  4. 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 classloder 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，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 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

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

  1. JDK版本：JDK1.5起；
  2. 是否Lazy初始化：否；
  3. 是否多线程安全：是；
  4. 实现难度：易；
  5. 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

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

最佳实践

  • 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

即使道路坎坷不平，也要坚定信念，一往无前，因为每一步艰辛都是通往成功的必经之路。
祝愿大家2024扶摇直上九万里

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