创建型设计模式——单例模式

Posted 2022-02-20 张起灵-小哥

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了创建型设计模式——单例模式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录：

3.单例模式在JDK中的应用（简单的源码分析）

4.单例模式总结

1.什么是单例模式？

所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。

比如Hibernate的 SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建Session对象。SessionFactory并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个SessionFactory就够，这是就会使用到单例模式。

这篇文章中，我将给出单例模式的七种写法：↓↓↓↓↓↓↓↓↓

饿汉式（静态常量）
饿汉式（静态代码块）
懒汉式（线程不安全）
懒汉式（线程安全，同步方法）
双重校验锁
静态内部类
枚举

以上七种写法中标红的是推荐使用的，如果说你能保证你的程序中单例类的实例一定会使用到，那么饿汉式也是推荐使用的。

2.七种写法

2.1 饿汉式（静态常量）

package com.szh.singleton.type1;

/**
 * 饿汉式(静态变量)
 */
class Singleton 

    // 本类内部创建对象实例
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // 构造方法私有化, 防止外部new对象
    private Singleton() 

    // 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() 
        return INSTANCE;
    



public class SingletonTest01 
    public static void main(String[] args) 
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton1 == singleton2);
        System.out.println("singleton1的hashCode = " + singleton1.hashCode());
        System.out.println("singleton2的hashCode = " + singleton2.hashCode());

优缺点说明：

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。
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。
这种方式基于classloder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。

2.2 饿汉式（静态代码块）

package com.szh.singleton.type2;

/**
 * 饿汉式(静态代码块)
 */
class Singleton 

    private static final Singleton INSTANCE;

    // 构造方法私有化, 防止外部new对象
    private Singleton() 

    // 静态代码块, 完成对象的实例创建
    static 
        INSTANCE = new Singleton();
    

    // 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() 
        return INSTANCE;
    



public class SingletonTest02 
    public static void main(String[] args) 
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton1 == singleton2);
        System.out.println("singleton1的hashCode = " + singleton1.hashCode());
        System.out.println("singleton2的hashCode = " + singleton2.hashCode());

优缺点说明：

这种方式和第一种方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
结论:这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费。

2.3 懒汉式（线程不安全）

package com.szh.singleton.type3;

import java.util.Objects;

/**
 * 懒汉式(线程不安全)
 */
class Singleton 

    private static Singleton instance;

    // 构造方法私有化, 防止外部new对象
    private Singleton() 

    // 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() 
        if (Objects.isNull(instance)) 
            instance = new Singleton();
        
        return instance;
    



public class SingletonTest03 
    public static void main(String[] args) 
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton1 == singleton2);
        System.out.println("singleton1的hashCode = " + singleton1.hashCode());
        System.out.println("singleton2的hashCode = " + singleton2.hashCode());

优缺点说明：

起到了Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。
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。
结论: 在实际开发中，不要使用这种方式。

2.4 懒汉式（线程安全，同步方法）

package com.szh.singleton.type4;

import java.util.Objects;

/**
 * 懒汉式(线程安全, 双重校验锁)
 */
class Singleton 

    private static Singleton instance;

    // 构造方法私有化, 防止外部new对象
    private Singleton() 

    // 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static synchronized Singleton getInstance() 
        if (Objects.isNull(instance)) 
            instance = new Singleton();
        
        return instance;
    



public class SingletonTest04 
    public static void main(String[] args) 
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton1 == singleton2);
        System.out.println("singleton1的hashCode = " + singleton1.hashCode());
        System.out.println("singleton2的hashCode = " + singleton2.hashCode());

优缺点说明：

解决了线程安全问题。
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。
结论: 在实际开发中，不推荐使用这种方式。

2.5 双重校验锁

package com.szh.singleton.type5;

import java.util.Objects;

/**
 * 懒汉式(线程安全)
 */
class Singleton 

    private static volatile Singleton instance;

    // 构造方法私有化, 防止外部new对象
    private Singleton() 

    // 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() 
        if (Objects.isNull(instance)) 
            synchronized (Singleton.class) 
                if (Objects.isNull(instance)) 
                    instance = new Singleton();
                
            
        
        return instance;
    


public class SingletonTest05 
    public static void main(String[] args) 
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton1 == singleton2);
        System.out.println("singleton1的hashCode = " + singleton1.hashCode());
        System.out.println("singleton2的hashCode = " + singleton2.hashCode());

优缺点说明：

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 (singleton ==- null)检查，这样就可以保证线程安全了。
这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if(singleton == null)，直接return 实例化对象，也避免的反复进行方法同步。
线程安全;延迟加载;效率较高。
结论: 在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式。

2.6 静态内部类

package com.szh.singleton.type6;

import java.util.Objects;

/**
 * 静态内部类
 */
class Singleton 

    // 构造方法私有化, 防止外部new对象
    private Singleton() 

    // 定义静态内部类
    private static class SingletonInstance 
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    

    // 提供一个公有的静态方法，返回静态内部类中的实例对象
    public static Singleton getInstance() 
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    


public class SingletonTest06 
    public static void main(String[] args) 
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton1 == singleton2);
        System.out.println("singleton1的hashCode = " + singleton1.hashCode());
        System.out.println("singleton2的hashCode = " + singleton2.hashCode());

优缺点说明：

这种方式采用了类装载机制来保证初始化实例时只有一个线程。
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。
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。
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。
结论: 推荐使用。

2.7 枚举

package com.szh.singleton.type7;

/**
 * 枚举
 */
enum Singleton 
    INSTANCE;


public class SingletonTest07 
    public static void main(String[] args) 
        Singleton singleton1 = Singleton.INSTANCE;
        Singleton singleton2 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.println(singleton1 == singleton2);
        System.out.println("singleton1的hashCode = " + singleton1.hashCode());
        System.out.println("singleton2的hashCode = " + singleton2.hashCode());

优缺点说明：

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。
这种方式是Effective Java作者Josh Bloch提倡的方式。
结论: 推荐使用。

3.单例模式在JDK中的应用（简单的源码分析）

我们可以看一下有一个类叫 Runtime，位于java.lang包下的。

从这个类的源码中可以看到，它首先是创建了一个私有的本类实例对象，然后最下面就是构造方法私有化，中间的公共方法则是提供给外部的，外部类可以通过这个方法来获取到Runtime这个类的实例对象。这不就是我们上面所说的单例模式吗？这里它采用的是饿汉式写法。

4.单例模式总结

单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。
当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new。
单例模式使用的场景:需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即: 重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session 工厂等)。

以上是关于创建型设计模式——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

创建型设计模式（单例模式）

设计模式 - 创建型模式_7种单例模式实现

创建型模式：单例模式

设计模式（创建型模式-单例模式）