JAVA技术应用—— 单例模式

Posted 2021-05-01 山西双体系卓越人才教育基地

各位双体的小伙伴们，

今天同样为大家整理了

满满的干货小知识

跟随我来一起了解下吧！

JAVA单例模式

饿汉式（线程安全）

懒汉式（线程安全）

静态内部类（线程安全）

双重检验锁

枚举单例

Java中单例(Singleton)模式是一种广泛使用的设计模式。单例模式的主要作用是保证在Java程序中，某个类只有一个实例存在。一些管理器和控制器常被设计成单例模式。

单例模式有很多好处，它能够避免实例对象的重复创建，不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。如果一个对象有可能贯穿整个应用程序，而且起到了全局统一管理控制的作用，那么单例模式也许是一个值得考虑的选择。

单例模式有很多种写法，大部分写法都或多或少有一些不足。下面将分别对这几种写法进行介绍。

饿汉式（线程安全）

public class Singleton{ private static final Singleton instance = new Singleton(); private Singleton(){} public static Singleton newInstance(){ return instance; }} 

从代码中我们看到，类的构造函数定义为private的，保证其他类不能实例化此类，然后提供了一个静态实例并返回给调用者。

饿汉模式是最简单的一种实现方式，饿汉模式在类加载的时候就对实例进行创建，实例在整个程序周期都存在。它的好处是只在类加载的时候创建一次实例，不会存在多个线程创建多个实例的情况，避免了多线程同步的问题。它的缺点也很明显，即使这个单例没有用到也会被创建，而且在类加载之后就被创建，内存就被浪费了。

这种实现方式适合单例占用内存比较小，在初始化时就会被用到的情况。但是，如果单例占用的内存比较大，或单例只是在某个特定场景下才会用到，使用饿汉模式就不合适了，这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载。

懒汉式（线程安全）

public class Singleton {  private static Singleton instance;  private Singleton (){}  public static synchronized Singleton getInstance() {  if (instance == null) {  instance = new Singleton();  }  return instance;  } } 

懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建，再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。

这种写法能够在多线程中很好的工作，而且看起来它也具备很好的lazy loading，但是，遗憾的是，效率很低，99%情况下不需要同步。

静态内部类（线程安全）

public class Singleton {  private Singleton(){ } public static Singleton getSingleton(){  return Inner.instance;  }  private static class Inner {  private static final Singleton instance = new Singleton();  } } 

“

这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个instance实例。它与饿汉模式一样，也是利用了类加载机制，因此不存在多线程并发的问题。不一样的是，它是在内部类里面去创建对象实例。这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。

实现代码简洁。和双重检查单例对比，静态内部类单例实现代码真的是太简洁，又清晰明了。

延迟初始化。调用getSingleton才初始化Singleton对象。

线程安全。JVM在执行类的初始化阶段，会获得一个可

以同步多个线程对同一个类的初始化的锁。

双重检验锁

public class Singleton {  private volatile static Singleton singleton; //1:volatile修饰 private Singleton (){}  public static Singleton getSingleton() {  if (singleton == null) { //2:减少不要同步，优化性能 synchronized (Singleton.class) { // 3：同步，线程安全 if (singleton == null) {  singleton = new Singleton(); //4：创建singleton 对象 }  }  }  return singleton;  } }

延迟初始化。和懒汉模式一致，只有在初次调用静态方法getSingleton，才会初始化signleton实例。

性能优化。同步会造成性能下降，在同步前通过判读singleton是否初始化，减少不必要的同步开销。

线程安全。同步创建Singleton对象，同时注意到静态变量singleton使用volatile修饰。

为什么要使用volatile修饰？

虽然已经使用synchronized进行同步，但在第4步创建对象时，会有下面的伪代码：

memory=allocate(); //1：分配内存空间ctorInstance(); //2:初始化对象singleton=memory; //3:设置singleton指向刚排序的内存空间

“

当线程A在执行上面伪代码时，2和3可能会发生重排序，因为重排序并不影响运行结果，还可以提升性能，所以JVM是允许的。如果此时伪代码发生重排序，步骤变为1->3->2,线程A执行到第3步时，线程B调用getsingleton方法，在判断singleton==null时不为null，则返回singleton。但此时singleton并还没初始化完毕，线程B访问的将是个还没初始化完毕的对象。当声明对象的引用为volatile后，伪代码的2、3的重排序在多线程中将被禁止!

volatile如何实现防止指令重排序的呢？volatile是否还有别的作用的，有兴趣的同学可以去了解一下

上面提到的四种实现单例的方式都有共同的缺点：

1.需要额外的工作来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例。

2.可以使用反射强行调用私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

而枚举类很好的解决了这两个问题，使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。

因此《Effective Java》作者推荐使用的方法。不过，在实际工作中，很少看见有人这么写。

枚举单例

public enum Singleton{ instance; public void whateverMethod(){} }

高手之间的过招，必选择枚举单例模式。

下面附上测试枚举类解决序列化和反射问题的代码块，有兴趣的同学可以跟源码看一下为什么枚举类能解决此问题

// Copyright 2016-2101 Pica.package com.pica.cloud.base.api.workstation.server.service;
import java.io.*;import java.lang.reflect.Constructor;import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
/** * @ClassName SingleTon * @Description TODO * @Author Chongwen.jiang * @Date 2020/5/10 10:46 * @ModifyDate 2020/5/10 10:46 * @Version 1.0 */public class SingleTon implements Serializable{ private SingleTon(){}
 private volatile static SingleTon instance;
 private String content;
 public static SingleTon getInstance(){ if(instance == null) { synchronized (SingleTon.class) { if(instance == null) { instance = new SingleTon(); } } } return instance; }
 public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException, IOException, ClassNotFoundException { SingleTon s1 = SingleTon.getInstance(); s1.setContent("内容答复"); /*SingleTon s2 = SingleTon.getInstance(); Constructor<SingleTon> constructor = SingleTon.class.getDeclaredConstructor(); constructor.setAccessible(true);
 SingleTon s3 = constructor.newInstance(); System.out.println(s1 == s2); System.out.println(s1 == s3);*/
 ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("SingleTon.obj")); os.writeObject(s1); os.flush(); os.close();
 FileInputStream is = new FileInputStream("SingleTon.obj"); ObjectInputStream oss = new ObjectInputStream(is); SingleTon s4 = (SingleTon)oss.readObject(); oss.close(); is.close(); System.out.println(s4.getContent()); System.out.println(s1 == s4); }
 public String getContent() { return content; }
 public void setContent(String content) { this.content = content; }}

// Copyright 2016-2101 Pica.package com.pica.cloud.base.api.workstation.server.service;
import java.io.*;import java.lang.reflect.Constructor;import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
/** * @ClassName EnumSingleTon * @Description TODO * @Author Chongwen.jiang * @Date 2020/5/10 11:17 * @ModifyDate 2020/5/10 11:17 * @Version 1.0 */public enum EnumSingleTon implements Serializable { INSTANCE; EnumSingleTon(){}
 private String content;
 public String getContent() { return content; }
 public void setContent(String content) { this.content = content; }
 public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException, IOException, ClassNotFoundException { EnumSingleTon s1 = EnumSingleTon.INSTANCE; s1.setContent("内容答复"); EnumSingleTon s2 = EnumSingleTon.INSTANCE; Constructor<EnumSingleTon> constructor = EnumSingleTon.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class); constructor.setAccessible(true);
 EnumSingleTon s3 = constructor.newInstance(); System.out.println(s1 == s2); System.out.println(s1 == s3);
 /*ObjectOutputStream os = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("EnumSingleTon.obj")); os.writeObject(s1); os.flush(); os.close();
 FileInputStream is = new FileInputStream("EnumSingleTon.obj"); ObjectInputStream oss = new ObjectInputStream(is); EnumSingleTon s4 = (EnumSingleTon)oss.readObject(); oss.close(); is.close(); System.out.println(s4.getContent()); System.out.println(s1 == s4);*/ }}

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编辑：郭宇璐

终审：任广一