Java设计模式：Singleton(单例)模式

Posted 2021-03-26 clover_toeic

概念定义

Singleton(单例)模式是指在程序运行期间, 某些类只实例化一次，创建一个全局唯一对象。因此，单例类只能有一个实例，且必须自己创建自己的这个唯一实例，并对外提供访问该实例的方式。
单例模式主要是为了避免创建多个实例造成的资源浪费，以及多个实例多次调用容易导致结果出现不一致等问题。例如，一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统，一个程序只需要一份全局配置信息。

应用场景

• 资源共享的情况下，避免由于资源操作时导致的性能或损耗等。如缓存、日志对象、应用配置。
• 控制资源的情况下，方便资源之间的互相通信。如数据库连接池、线程池等。

单例实现

根据加载的时机可以分为即时加载和延时加载两种模式。

即时加载

在单例类被加载时就创建单例的方式，称为即时加载单例(也称饿汉式)。

枚举类单例(推荐方式)

示例代码如下：

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    public static EnumSingleton getInstance() { // 照顾开发者旧有习惯
        return INSTANCE;
    }

    // 外部可调用EnumSingleton.INSTANCE.doSomething()或EnumSingleton.getInstance().doSomething()
    public void doSomething() {
        System.out.println("EnumSingleton: do something like accessing resources");
    }
}

此类单例具有以下优点：

• 简洁高效
• 实例是静态的，线程安全
• 不存在clone、反射、序列化破坏单例问题

缺点则有：

• 枚举单例不能继承和被继承
• 可读性稍低(主要因为此方式较为"新颖")

静态公有域单例

示例代码如下：

public class StaticFieldSingleton {
    public static final StaticFieldSingleton INSTANCE = new StaticFieldSingleton();
    private StaticFieldSingleton() { // 私有化构造方法，防止外部实例化而破坏单例
        if (INSTANCE != null) { // 防止反射攻击
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    }

    // 外部可调用StaticFieldSingleton.INSTANCE.doSomething()
    public void doSomething() {
        System.out.println("StaticFieldSingleton: do something like accessing resources");
    }
}

静态工厂方法单例

示例代码如下：

public class StaticMethodSingleton {
    private static final StaticMethodSingleton INSTANCE = new StaticMethodSingleton(); // INSTANCE由private修饰
    private StaticMethodSingleton() {
        if (INSTANCE != null) { // 防止反射攻击
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    }
    public static StaticMethodSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    // 外部可调用StaticFieldSingleton.getInstance().doSomething()
    public void doSomething() {
        System.out.println("StaticMethodSingleton: do something like accessing resources");
    }
}

静态工厂方法比静态公有域单例更具灵活性：

• 内部可以改变单例实现方式，例如将即时加载改造成延时加载/懒加载，保持API不变。
• 甚至可以改变类是否是单例。例如业务场景有所改变，将原先的单例变成非单例，也能保持API不变。

延时加载

即时加载相对简单，作为主要推荐的单例模式。但在有些业务场景中，不希望单例被过早创建，而在真正使用的那刻才创建，即延时加载单例(也称懒汉式)。此类场景有：

• 创建实例的开销很大，但访问频率却很低。
• 单例的创建依赖于其他资源的创建，为保证数据完整性必须延迟创建。
• ...

静态内部类单例(推荐方式)

示例代码如下：

public class StaticHolderSingleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticHolderSingleton INSTANCE = new StaticHolderSingleton();
    }
    private StaticHolderSingleton() {}
    public static StaticHolderSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    // 外部可调用StaticHolderSingleton.getInstance().doSomething()
    public void doSomething() {
        System.out.println("StaticHolderSingleton: do something like accessing resources");
    }
}

静态内部类单例有以下特点：

• 只有当getInstance()方法被外部首次调用时，SingletonHolder类才被JVM加载和初始化，静态属性INSTANCE也跟着被初始化，从而达到延迟加载的目的。
• JVM保证初始化SingletonHolder类时，具有线程安全性，因此不会增加任何性能成本和空间浪费。

双重校验锁(DCL)单例

示例代码如下：

public class DCLSingleton {
    private static volatile DCLSingleton instance; // volatile禁止指令重排序，并保证内存可见性
    private DCLSingleton() {}
    public static DCLSingleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 此处判空旨在提高性能
            synchronized (DCLSingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    // 外部可调用DCLSingleton.getInstance().doSomething()
    public void doSomething() {
        System.out.println("DCLSingleton: do something like accessing resources");
    }
}

DCL单例比较复杂，而且用到synchronized和volatile，性能有所损失。

破坏单例模式的方法

Java对象可通过new、克隆(clone)、反序列化(serialize)、反射(reflect)等方式创建。
通过私有化或不提供构造方法，可阻止外部通过new创建单例实例。其他几种创建方式则需要特别注意(枚举单例不存在本节风险)。

克隆

java.lang.Obeject#clone()方法不会调用构造方法，而是直接从内存中拷贝内存区域。因此，单例类不能实现Cloneable接口。

反射

反射通过调用构造方法生成新的对象，可在构造方法中进行判断，实例已创建时抛出异常，如StaticFieldSingleton所示。

反序列化

普通Java类反序列化时会通过反射调用类的默认构造方法来初始化对象。如果单例类实现java.io.Serializable接口, 就可以通过反序列化破坏单例。
因此，单例类尽量不要实现序列化接口。如若必须，可以重写反序列化方法readResolve(), 反序列化时直接返回相关单例对象:

public Object readResolve() {
    return instance;
}

单例 vs 静态方法

单例：在一个JVM中只允许一个实例存在。单例常常是带有状态的，可以携带更丰富的信息，使用场景更加广泛。

• 单例是面向对象的
• 有状态的
• 方法跟实例是相关的
• 人为保证线程安全
• 能实现接口或者继承一个超类

静态方法： 对于不需要维护任何状态，仅提供全局访问方法的类，可将其实现为更简单的静态方法类(如各种Uitls工具类)，它的速度更快。

• 静态方法是面向过程的
• 无状态的
• 方法跟实例是无关的
• 天然线程安全
• 静态方法速度更快(其绑定在编译期就进行)

业界实践

• java.lang.Runtime.getRuntime(JDK)
• java.util.concurrent.TimeUnit(JDK)
• 无数开源软件

要点总结

• 单例模式按加载时机可分为即时加载和延时加载两种方式。
• 即时加载有：枚举类单例、静态公有域单例和静态工厂方法单例。
  • 推荐程度： 枚举类单例 > 静态工厂方法单例 > 静态公有域单例。
  • 特例：若单例类必须要继承某个超类，则不宜使用枚举类单例。
• 延时加载有：静态内部类单例和双重校验锁(DCL)单例。
  • 推荐静态内部类单例。
  • 应避免使用双重校验锁单例。
• 若无特殊需要，优先使用即时加载模式的单例。
• 对于一些无状态的具有"唯一"特征的类(如工具类)，建议使用静态方法实现。