java基础之----23种设计模式（单例模式）

Posted 2021-03-15 猿起缘灭

概述

　　提到单例模式，我们并不陌生，而且面试中也常常会问单例模式相关的问题，接下来就谈谈单例模式，这篇文章会回答如下几个问题：

1. 什么是单例模式？
2. 单例模式有几种实现方式，以及各种实现方式的优劣？
3. 单例模式有什么用？

什么是单例模式

　　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。这是《设计模式》（艾迪生维斯理, 1994）中的定义。

单例模式有几种实现方式

　　先说答案，有三种，基本上我们只知道两种，就是懒汉式和饿汉式，其实还有第三种，通过静态内部类实现单例模式，下面就说说这三种实现方式。

饿汉式

　　

package com.gxl.demo.DesignPattern.singletonpattern;

/**
 * Description: 饿汉式单例模式
 */
public class EagerSingleton {
    //为什么EagerSingleton要是static呢？因为声明成static就是当类被加载的时候就会执行new EagerSingleton(),
    // 无论getInstance方法有没有被调用，这也是饿汉式这个名称由来，就是说，无论你用不用，我都会实例化。为什么是final类型呢？
    // 因为声明成final类型就是当类被加载实例化之后，
    // 这个instance的值就不允许修改了，就是说只能被实例化一次
    private final static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
    //私有化构造方法，不允许外部应用通过new来创建对象
    private EagerSingleton(){}
    //静态方法，提供给外部应用获取单例对象
    public static EagerSingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

class Test{
    public static void main(String[] args) {
        EagerSingleton eagerSingleton1 = EagerSingleton.getInstance();
        EagerSingleton eagerSingleton2 = EagerSingleton.getInstance();
        if (eagerSingleton1 == eagerSingleton2){
            System.out.println("是单例模式，保证了单例对象的唯一性");
        }
    }
}

 

饿汉式总结

饿汉式在没有被使用的情况下就把单例对象创建出来，占用内存，并不是一种很好的方式。

 

懒汉式

/**
 * Description: 懒汉式单例模式
 */
public class LazySingleton {

    private static LazySingleton instance = null;
    //私有防止外部应用new新的实例
    private LazySingleton(){}
    //双重检验锁定，先判断instance是否为null而不是先锁定的好处是如果单例已经创建就不用在锁定
    //提升效率，锁定之后再次判断instance是否为null的目的是为了防止多个线程同时通过了第一个判断
    //然后创建多个对象
    public static LazySingleton getInstance(){
        if (instance == null){
            synchronized (LazySingleton.class){
                if (instance == null){
                    instance = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

懒汉式总结

　　为什么叫做懒汉式呢？因为只有当调用getInstance方法才会实例化，这就是一种懒加载。懒汉式解决了饿汉式占用资源的问题，但是又有一个新问题，就是使用synchronized效率低下。那有没有一种完美的方式，既不占用内存，效率又很高的方式呢？就是下面要介绍的。

IoDH（Initialization Demand Holder (IoDH)）

package com.gxl.demo.DesignPattern.singletonpattern;

/**
 * Description:IoDH
 */
public class IoDHSingleton {
    //私有化构造方法，防止外部应用new新实例
    private IoDHSingleton(){}
    //不会初始化内部类，如果这个不是内部类就会被初始化，因为类中存在静态变量，并且静态变量被初始化赋值
    private static class HodlerClass{
        private final static IoDHSingleton instance = new IoDHSingleton();
    }
    //只有这个方法被调用，上面的静态内部类才会被初始化
    public static IoDHSingleton getInstance(){
        return HodlerClass.instance;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        IoDHSingleton ioDHSingleton1 = IoDHSingleton.getInstance();
        IoDHSingleton ioDHSingleton2 = IoDHSingleton.getInstance();
        if (ioDHSingleton1 == ioDHSingleton2){
            System.out.println("是单例模式");
        }
    }
}

IoDH总结

其实上面的代码有两个疑问，上面我说过，IoDH完美的解决了延迟加载，而且不需要使用锁，第一个问题，为什么通过静态内部类可以实现延迟加载？第二个问题，不加锁如何保证线程安全？其实第二个问题在饿汉式中也存在这个问题，那下面来回答这两个问题。

第一个问题，为什么通过静态内部类可以实现延迟加载？

要解决第一个问题，需要先明白类什么时候会被加载。

注：以下内容参考这篇博客：深入理解单例模式：静态内部类单例原理

1.遇到new、getstatic、setstatic或者invokestatic这4个字节码指令时，对应的java代码场景为：new一个关键字或者一个实例化对象时、读取或设置一个静态字段时(final修饰、已在编译期把结果放入常量池的除外)、调用一个类的静态方法时。
2.使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没进行初始化，需要先调用其初始化方法进行初始化。
3.当初始化一个类时，如果其父类还未进行初始化，会先触发其父类的初始化。
4.当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的类)，虚拟机会先初始化这个类。
5.当使用JDK 1.7等动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
这5种情况被称为是类的主动引用，注意，这里《虚拟机规范》中使用的限定词是"有且仅有"，那么，除此之外的所有引用类都不会对类进行初始化，称为被动引用。静态内部类就属于被动引用的行列。

可以看出，静态内部类不属于上面5条的任意一条，所以不会被初始化，这里要区分一下类的初始化和类的实例化：

类的实例化是指创建一个类的实例(对象)的过程；
类的初始化是指为类中各个类成员(被static修饰的成员变量)赋初始值的过程，是类生命周期中的一个阶段。

第二个问题，不加锁如何保证线程安全？

要回答这个问题，需要明白另一个问题，就是类初始化时，jvm是否可以保证其本身是线程安全的？

　　这是答案，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞(需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行<clinit>()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入<clinit>()方法。同一个加载器下，一个类型只会初始化一次。)，在实际应用中，这种阻塞往往是很隐蔽的。

故而，可以看出instance在创建过程中是线程安全的，所以说静态内部类形式的单例可保证线程安全，也能保证单例的唯一性，同时也延迟了单例的实例化。