Java 设计模式系列单例模式

Posted 2020-11-02 binarylei

Java 设计模式系列（五）单例模式

单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

一、懒汉式单例

/**
 * 懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己
 * 1. 构造器私有化，避免外面直接创建对象
 * 2. 声明一个私有的静态变量
 * 3. 创建一个对外的公共静态方法访问该变量，如果没有变量就创建对象
 */
public class Singleton {  
    private Singleton() throws InterruptedException {
        Thread.sleep(2 * 1000);
    }  

    private static Singleton single=null;  
    //静态工厂方法   
    public static Singleton newInstance() {  
         if (single == null) {    
             single = new Singleton();  
         }    
        return single;  
    }  

    public static void main(String[] args) {
        // 多线程下不安全，可以看到 Singleton 不是同一个对象
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Singleton.newInstance());
                }
            }).start();
        }
    }
}  

Singleton 通过将构造方法限定为 private 避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton 的唯一实例只能通过 newInstance() 方法访问。（事实上，通过 Java 反射机制是能够实例化构造方法为 private 的类的，那基本上会使所有的 Java 单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。）

但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个 Singleton 实例，要实现线程安全，有以下三种方式，都是对 newInstance 这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全，如果你第一次接触单例模式，对线程安全不是很了解，可以先跳过下面这三小条，去看饿汉式单例，等看完后面再回头考虑线程安全的问题：

(1) 在 newInstance 方法上加同步

public class Singleton {  
    private Singleton() {}  
    private static Singleton single=null;  
    //静态工厂方法   
    public static synchronized Singleton newInstance() {  
         if (single == null) {    
             single = new Singleton();  
         }    
        return single;  
    }  
} 

(2) 双重检查锁定

为处理同步延迟加载方式瓶颈问题，我们需要对 instance 进行第二次检查，目的是避开过多的同步（因为这里的同步只需在第一次创建实例时才同步，一旦创建成功，以后获取实例时就不需要同获取锁了），但在 Java 中行不通，因为同步块外面的 if (instance == null) 可能看到已存在，但不完整的实例。JDK5.0 以后版本若 instance 为 volatile 则可行：

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton instance = null;  
    private Singleton() {
    }  

    public static Singleton newInstance() {  
        if (instance == null) {  
            synchronized (Singleton.class) {// 1  
                if (instance == null) {     // 2  
                    instance = new Singleton();// 3  
                }  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}   

可以看到里面加了 volatile 关键字来声明单例对象，既然 synchronized 已经起到了多线程下原子性、有序性、可见性的作用，为什么还要加 volatile 呢，原因已经在下面评论中提到：

《单例模式与双重检测》：http://www.iteye.com/topic/652440

(3) 静态内部类

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

这种比上面 1、2 都好一些，既实现了线程安全，又避免了同步带来的性能影响。

二、饿汉式单例

// 饿汉式单例类：在类初始化时，已经自行实例化   
public class Singleton {  
    private Singleton() {}  
    private static final Singleton single = new Singleton();  
    //静态工厂方法   
    public static Singleton newInstance() {  
        return single;  
    }  
}  

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

三、登记式单例(可忽略)

//类似Spring里面的方法，将类名注册，下次从里面直接获取。  
public class Singleton {  
    private static Map<String,Singleton> map = new HashMap<String,Singleton>();  
    static{  
        Singleton single = new Singleton();  
        map.put(single.getClass().getName(), single);  
    }  
    //保护的默认构造子  
    protected Singleton() {}  
    //静态工厂方法,返还此类惟一的实例  
    public static Singleton newInstance(String name) {  
        if(name == null) {  
            name = Singleton.class.getName();  
            System.out.println("name == null"+"--->name="+name);  
        }  
        if(map.get(name) == null) {  
            try {  
                map.put(name, (Singleton) Class.forName(name).newInstance());  
            } catch (InstantiationException e) {  
                e.printStackTrace();  
            } catch (IllegalAccessException e) {  
                e.printStackTrace();  
            } catch (ClassNotFoundException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
        return map.get(name);  
    }  
    //一个示意性的商业方法  
    public String about() {      
        return "Hello, I am RegSingleton.";      
    }      
    public static void main(String[] args) {  
        Singleton single3 = Singleton.newInstance(null);  
        System.out.println(single3.about());  
    }  
}  

登记式单例实际上维护了一组单例类的实例，将这些实例存放在一个 Map（登记薄）中，对于已经登记过的实例，则从 Map 直接返回，对于没有登记的，则先登记，然后返回。

这里我对登记式单例标记了可忽略，我的理解来说，首先它用的比较少，另外其实内部实现还是用的饿汉式单例，因为其中的 static 方法块，它的单例在类被装载的时候就被实例化了。

三、饿汉式和懒汉式区别

从名字上来说，饿汉和懒汉，饿汉就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证 newInstance 的时候，单例是已经存在的了，而懒汉比较懒，只有当调用 newInstance 的时候，才回去初始化这个单例。

另外从以下两点再区分以下这两种方式：

1、线程安全：

饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，

懒汉式本身是非线程安全的，为了实现线程安全有几种写法，分别是上面的1、2、3，这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。

2、资源加载和性能：

饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成，

而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。

至于 1、2、3 这三种实现又有些区别，

第 1 种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟 99% 的情况下是不需要同步的；

第 2 种，在 newInstance 中做了两次 null 检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗；

第 3 种，利用了 classloader 的机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，所以一般我倾向于使用这一种。

---

每天用心记录一点点。内容也许不重要，但习惯很重要！