浅谈设计模式之单例模式

Posted 2021-05-01 佛系程序猿

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

1、单例类只能有一个实例。

2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。

3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

意图：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。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

优点： 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景： 1、要求生产唯一序列号。 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

单例模式的几种实现方式

1、懒汉式，线程不安全

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式，所以本文着重介绍下线程安全的几种实现方式。

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是区别在于性能上有所差异化。

2、懒汉式（线程安全）

描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率非常低。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。

代码实例：

package single;

/** * 单例模式-懒汉式（线程安全） * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
public class SingletonLazy {

    private static SingletonLazy instance;    
    private SingletonLazy (){}    
    
    /**     * 获取唯一可用的对象     *     * 是否 Lazy 初始化：是     *     * 描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。     * 优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。     * 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。     * getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。     * */
    public static synchronized SingletonLazy getInstance() {                if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }        
        return instance;
    }    
    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage：Hello Lazy");
    }
}

3、饿汉式（线程安全）

描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。

代码实例：

package single;

/** * 单例模式-饿汉式（线程安全） * * 注意事项： * 优点：没有加锁，执行效率会提高。 * 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。 * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
public class SingletonHungry {

    //私有化一个静态的SingleObject对象
    private static SingletonHungry instance = new SingletonHungry();    //私有化SingleObject构造函数,该类则不会被实例化
    private SingletonHungry(){}    

    /**     * 获取唯一可用的对象     *     * 是否 Lazy 初始化：否     *     * 它基于 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，虽然导致类装载的原因有很多种，     * 在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，     * 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。     * */
    public static SingletonHungry getInstance(){       
        return instance;
    }    
    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage：Hello Hungry");
    }
}

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

描述：这种方式采用双重锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。

代码实例：

package single;

/** * 单例模式-双检锁/双重校验锁 * （DCL，即 double-checked locking） * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
public class SingletonDCL {
    private volatile static SingletonDCL instance;    
    private SingletonDCL (){}    
    
    /**     * 获取唯一可用的对象     *     * 是否 Lazy 初始化：是     * 是否多线程安全：是     *     * 这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。     * getInstance() 的性能对应用程序很关键。     * */
    public static SingletonDCL getInstance() {        
        if (instance == null) {            
            synchronized (SingletonHungry.class) {                
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDCL();
                }
            }
        }        
        return instance;
    }    
    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage：Hello DCL");
    }
}

5、登记式/静态内部类

描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

代码实例：

package single;

/** * 单例模式-登记式/静态内部类（线程安全） * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
public class SingletonRegister {
    private static class SingletonHolder {
        private static final SingletonRegister instance = new SingletonRegister();
    }    
    private SingletonRegister (){}    
    
    /**     * 获取唯一可用的对象     *     * 是否 Lazy 初始化：是     *     * 描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。     * 对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。     * 这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。     * 这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，     * 它跟 饿汉式 不同的是：饿汉式 只要 Singleton 类被装载了，     * 那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），     * 而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。     * 因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。     * 想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，     * 另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，     * 因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。     * 这个时候，这种方式相比 饿汉式 就显得很合理。     * */
    public static final SingletonRegister getInstance() {        
        return SingletonHolder.instance;
    }    
    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage：Hello Register");
    }
}

6、枚举

描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。

这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

代码实例：

package single;

/** * 单例模式-枚举式（线程安全） * * 是否 Lazy 初始化：否 * 是否多线程安全：是 * * 描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。 * 它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。 * 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题， * 而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。 * 不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。 * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
public enum SingletonEnum {

    INSTANCE;    
    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage：Hello ENUM");
    }
}

使用建议

• 一般情况下，不建议使用 懒汉方式，建议使用 饿汉方式。

• 只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用 登记方式。

• 如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用 枚举方式。

• 如果有其他特殊的需求，可以考虑使用 双检锁方式。

源码地址

码云：https://gitee.com/haoshan/design_pattern