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。

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。

介绍

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。

主要解决: 一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用: 当您想控制实例数目,节省系统资源的时候。

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。

关键代码: 构造函数是私有的。

应用实例:

  • 1、一个班级只有一个班主任。
  • 2、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。
  • 3、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。

优点:

  • 1、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)。
  • 2、避免对资源的多重占用(比如写文件操作)。

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,而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景:

  • 1、要求生产唯一序列号。
  • 2、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。
  • 3、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。

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

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

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

20200804212828

步骤 1

创建一个 SingleObject 类。

/**
 * @author : lwj
 * @since : 2020-08-04
 */
public class SingleObject {

    /**
     * 创建 SingleObject 的一个对象
     */
    private static final 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
     * @return instance
     */
    public static SingleObject getInstance() {
        return instance;
    }

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

步骤 2

SingleObject 类获取唯一的对象。

/**
 * @author : lwj
 * @since : 2020-08-04
 */
public class SingleObjectTest {

    @Test
    public void test() {

        // 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:

20200804211223102

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:

是否多线程安全:

实现难度:

/**
 * @author : lwj
 * @since : 2020-08-04
 *
 * <p>
 *     单例模式的懒汉式(线程不安全)
 *      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.
 * </p>
 */
public class SingletonThreadUnSafeLazyMan {

    /**
     * 构造函数私有化
     */
    private SingletonThreadUnSafeLazyMan() {}

    /**
     * 本类内部创建实例
     */
    private static SingletonThreadUnSafeLazyMan INSTANCE;

    /**
     * 懒汉式(线程不安全)
     * @return INSTANCE
     */
    public static SingletonThreadUnSafeLazyMan getInstance() {
        if (null == INSTANCE) {
            INSTANCE = new SingletonThreadUnSafeLazyMan();
        }
        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:

是否多线程安全:

实现难度:

/**
 * @author : lwj
 * @since : 2020-08-04
 *
 * <p>
 *     单例模式的懒汉式(线程安全)
 *      优缺点说明:
 *          1) 解决了线程安全问题
 *          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
 * </p>
 */
public class SingletonThreadSafeLazyMan {

    /**
     * 构造函数私有化
     */
    private SingletonThreadSafeLazyMan() {}

    /**
     * 本类内部创建实例
     */
    private static SingletonThreadSafeLazyMan INSTANCE;

    /**
     * 懒汉式(线程安全)
     * 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
     * @return INSTANCE
     */
    public static synchronized SingletonThreadSafeLazyMan getInstance() {
        if (null == INSTANCE) {
            INSTANCE = new SingletonThreadSafeLazyMan();

//            /**
//             * 同步代码块
//             */
//            synchronized (LazyManThreadSafeSingleton.class) {
//                INSTANCE = new LazyManThreadSafeSingleton();
//            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

3、饿汉式

是否 Lazy 初始化:

是否多线程安全:

实现难度:

/**
 * @author : lwj
 * @since : 2020-08-04
 *
 * <p>
 *     单例模式的饿汉式:
 *      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 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 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
 * </p>
 */
public class SingletonHungryMan {

    /**
     * 让构造函数为 private,这样该类在外部就无法就不会被实例化
     */
    private SingletonHungryMan() {
    }

    /**
     * 1、本类内部直接创建 SingletonHungryMan 的一个对象
     */
    private static final SingletonHungryMan INSTANCE = new SingletonHungryMan();

//    /**
//     * 2、在静态代码块中,创建单例对象
//     */
//    static {
//        INSTANCE = new SingletonHungryMan();
//    }

    /**
     * 获取唯一可用的对象
     * @return INSTANCE
     */
    public static SingletonHungryMan 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:

是否多线程安全:

实现难度: 较复杂

/**
 * @author : lwj
 * @since : 2020-08-04
 *
 * <p>
 *     单例模式的双重检查式(线程安全)
 *      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,我们进行了两次 if (null == INSTANCE) 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 (null == INSTANCE),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
 * </p>
 */
public class SingletonDoubleCheck {

    /**
     * 构造器私有化
     */
    private SingletonDoubleCheck() {}

    /**
     * 内部实例化对象
     */
    private static volatile SingletonDoubleCheck INSTANCE;

    /**
     * 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
     * @return INSTANCE
     */
    public static SingletonDoubleCheck getInstance() {
        if (null == INSTANCE) {
            synchronized (SingletonDoubleCheck.class) {
                if (null == INSTANCE) {
                    INSTANCE = new SingletonDoubleCheck();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

5、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化:

是否多线程安全:

实现难度: 一般

/**
 * @author : lwj
 * @since : 2020-08-04
 *
 * <p>
 *     单例模式的静态内部类式
 *      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.
 * </p>
 */
public class SingletonStaticInnerClass {

    /**
     * 构造器私有化
     */
    private SingletonStaticInnerClass() {
    }

    /**
     * 写一个静态内部类,该类中有一个静态属性 SingletonStaticInnerClass
     */
    private static class Singleton {
        private static final SingletonStaticInnerClass INSTANCE = new SingletonStaticInnerClass();
    }

    /**
     * 提供一个静态的公有方法,直接返回 Singleton.INSTANCE
     * @return Singleton.INSTANCE
     */
    public static SingletonStaticInnerClass getInstance() {
        return Singleton.INSTANCE;
    }
}

6、枚举

JDK 版本: JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化:

是否多线程安全:

实现难度:

/**
 * @author : lwj
 * @since : 2020-08-04
 *
 * <p>
 *     单例模式的枚举式
 *      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
 * </p>
 */
public enum  SingletonEnum {
    /**
     * 使用枚举,可以实现单例, 推荐
     */
    INSTANCE;
}

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。

Q.E.D.