设计模式之单例模式
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了设计模式之单例模式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
概念原文
Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it
概念翻译
确保一个类只有一个实例，并且自行实例化后向整个系统提供这个实例
特点
- 单例类构造函数私有化。
- 单例类只能有一个实例。
- 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
- 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
原理
优点与缺点
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）。
- 单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问
缺点
- 没有接口，不能继承，无法扩展，与开闭原则冲突
- 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，与单一职责冲突。
应用场景
- 需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力，减少 GC。
- 某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
- 某些类创建实例时占用资源较多，或实例化耗时较长，且经常使用。
- 某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。
- 频繁访问数据库或文件的对象。
- 对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。
- 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。
项目或框架应用
- 数据库连接池
- spring bean作用域
- spring中ApplicationContext类
- 线程池类
- web项目中的配置文件
- web项目中枚举类
代码实现
单例一共有4种实现方式：
- 懒汉式
- 饿汉式
- 静态内部类
- 枚举
其中，懒汉式又分为以下五种：
- 常规版
- 方法全局锁定
- 单重检查
- 双重检查
- 双重检查+volatile修饰。
饿汉式
在启动时直接进行预加载，一步到位。
优缺点
优点
- 线程安全
- 调用效率高
缺点
- 不能延时加载
代码实现
/**
* The singleton is loaded when the class is loaded or starts the program.
* @author luowenxing
*/
public class Hungry
private static final Hungry singleton=new Hungry();
/**
* @return return already initialized singleton.
*/
public static Hungry getSingleton()
return singleton;
懒汉式
常规版
不做特殊任何处理，调用时加载，在多线程时线程不安全，可能会出现多个实例。
优缺点
优点
- 效率高
- 可以延时加载
缺点
- 线程不安全
代码实现
/**
* Loading singleton when it's used .
* @author luowenxing
*/
public class Lazy
private static Lazy singleton;
/**
* This method maybe not safely by concurrent access
* @return
*/
public static Lazy getSingleton()
if (singleton==null)
singleton = new Lazy();
return singleton;
方法全局锁定
由于常规不做特殊处理的懒汉式在多线程下是线程不安全的，此处给获取实例的方法加上synchronized关键字，保证多线程情况下依然能获取到单例对象。
优缺点
优点
- 可以延时加载
- 线程安全
缺点
- 效率低
代码实现
/**
* Loading singleton when it's used.
* @author luowenxing
*/
public class SafeLazy
private static SafeLazy singleton;
/**
* The whole method will be locked, all concurrent requests must be invoked after the previous request invoke end .
* Because of locking the whole method, it will need more time .
*
* @return
*/
public synchronized static SafeLazy getSingletonByLockMehtod()
if (singleton == null)
singleton = new SafeLazy();
return singleton;
单重检查
上述直接锁定全局方法虽然保证了线程的安全性，但是由于synchronized 同步块范围涵盖了整个方法，导致获取单例的效率不高，从而衍化出单重检查的模式，缩小了synchronized同步范围，但是也无法再保证线程的安全性了。
优缺点
优点
- 效率比同步整个方法高
- 延时加载
缺点
- 线程不安全
代码实现
/**
* Loading singleton when it's used.
* @author luowenxing
*/
public class SafeLazy
private static SafeLazy singleton;
/**
* Just locking instantiation code, is faster than locking the whole method.
* But this lock is in the singleton initialize check code, this method is not safe
* when a concurrent request has already passed inspection.
*
* @return
*/
public static SafeLazy getSingletonByOnceCheck()
if (singleton == null)
synchronized (SafeLazy.class)
singleton = new SafeLazy();
return singleton;
双重检查
上述衍生的单重检查虽然把效率提高了，但是又出现了线程不安全的弊端，针对这种情况，双重检查应运而生。
优缺点
优点
- 线程安全（相对的，在不发生指令重排的前提下安全）
- 可延时加载
缺点
- 效率比同步方法较高，比单重检查低
代码实现
/**
* Loading singleton when it's used.
* @author luowenxing
*/
public class SafeLazy
private static SafeLazy singleton;
/**
* This lock is in the first check code .
* When concurrent request passed first check, there will be execute second check in the locking block
* to ensure singleton is just initiated once .
* This method is faster than locking the whole method, and it ensures thread safe on concurrent access .
*
* @return
*/
public static SafeLazy getSingletonByDoubleCheck()
if (singleton == null)
synchronized (SafeLazy.class)
if (singleton == null)
singleton = new SafeLazy();
return singleton;
线程安全与否剖析
双重检查+volatile修饰
由于双重检查线程安全的不可靠性是由于JMM的指令重排序导致的，此处引入volatile关键字，利用volatile三大特性中的禁止指令重排序来解决上述问题。
优缺点
优点
- 线程安全
- 可延时加载
- 效率相对较高
缺点
代码实现
/**
* Loading singleton when it's used.
* @author luowenxing
*/
public class SafeLazy
private static volatile SafeLazy singleton;
/**
* This lock is in the first check code .
* When concurrent request passed first check, there will be execute second check in the locking block
* to ensure singleton is just initiated once .
* This method is faster than locking the whole method, and it ensures thread safe on concurrent access .
*
* @return
*/
public static SafeLazy getSingletonByDoubleCheck()
if (singleton == null)
synchronized (SafeLazy.class)
if (singleton == null)
singleton = new SafeLazy();
return singleton;
懒汉式效率排序：常规版>单重检查>双重检查>双重检查+volatile修饰>方法全局锁定
懒汉式线程安全排序:方法全局锁定=双重检查+volatile修饰>双重检查>单重检查>常规版
静态内部类
在单例类的内部声明静态内部类，由静态内部类提供单例类的单例对象。此类实现方式依赖的是static的全局统一性和静态内部类的延时加载。
优缺点
优点
- 线程安全
- 调用效率高
- 可延时加载
缺点
代码实现
/**
* The singleton is provided by static inner class, it will load lazily .
* @Author: luowenxing
*/
public class StaticInnerClazz
/**
* Inner class must be guaranteed to be privatized.
* Static inner classes are loaded only when used.
*/
private static class SingletonInstance
private static final StaticInnerClazz instance = new StaticInnerClazz();
private StaticInnerClazz()
public static StaticInnerClazz getInstance()
return SingletonInstance.instance;
枚举
java 1.5之后引入的特性，枚举的每一个属性都是单例。
优缺点
优点
- 线程安全
- 调用效率高
- 天然的防止反射和反序列化调用
缺点
- 不能延时加载
代码实现
/**
* Enumeration classes are natural singletons.
* @Author: luowenxing
*/
public enum SingletonEnum
/**
* Each of its elements is a singleton
*/
SINGLETON;
SingletonEnum()
知识拓展
- 静态内部类的加载过程：静态内部类的加载不需要依附外部类，在使用时才加载。不过在加载静态内部类的过程中也会加载外部类。
- volatile三大特性： 可见性、不保证原子性、 禁止重排序
- Java内存模型（Java Memory Model ,JMM）就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。是围绕着在并发过程中如何处理可见性、原子性、有序性这三个特性而建立的模型。
相关面试题
-
Q：什么是单例模式？
A：确保一个类只有一个实例，并且自行实例化后向整个系统提供这个实例。 -
Q:单例模式的特点
A：
- 单例类构造函数私有化
- 单例类只能有一个实例。
- 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
- 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
- Q: 单例模式有几种？手写其中XXX
A：见上述文章。
4.Q：单例可以被破坏吗？
A：clone、反射都可以 - Q：单例的双重检查是什么？
A：见上述文章
以上是关于设计模式之单例模式的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章