单例模式（Singleton Pattern）

Posted 2021-07-23 顧棟

文章目录

• 单例模式（Singleton Pattern）
• • 单例模式的定义
  • 单例模式的结构
  • 单例模式的优点
  • 单例模式的缺点
  • 单例模式的实现
  • • 第 1 种：懒汉模式(线程不不安全)
    • 第 2 种：懒汉模式(线程安全)
    • 第 3 种：饿汉模式(线程安全)
    • 第 4 种：使用类的内部类(线程安全)
    • 第 5 种：双重锁校验(线程安全)
    • 第 6 种：CAS「AtomicReference」(线程安全)
    • 第 7 种：枚举单例例(线程安全)
  • 使用注意事项
  • • 适用场景
    • 应用场景举例

单例模式（Singleton Pattern）

单例模式的定义

指一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例并向整个系统提供整个实例的一种模式。例如，Windows 中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费，或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。

单例模式有 3 个特点：

1. 单例类只有一个实例对象；
2. 该单例对象必须由单例类自行创建；
3. 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点；

单例模式的结构

一般建议单例模式的方法命名为：getInstance()，这个方法的返回类型肯定是单例类的类型了。getInstance方法可以有参数，这些参数可能是创建类实例所需要的参数，当然，大多数情况下是不需要的。

单例模式的主要角色如下。

• 单例类：包含一个实例且能自行创建这个实例的类。
• 访问类：使用单例的类

单例模式的优点

1. 在单例模式中，活动的单例只有一个实例，对单例类的所有实例化得到的都是相同的一个实例。这样就防止其它对象对自己的实例化，确保所有的对象都访问一个实例
2. 单例模式具有一定的伸缩性，类自己来控制实例化进程，类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。
3. 提供了对唯一实例的受控访问。
4. 由于在系统内存中只存在一个实例，因此可以节约系统资源，当需要频繁创建和销毁的对象时单例模式无疑可以提高系统的性能。
5. 允许可变数目的实例。
6. 避免对共享资源的多重占用。
7. 可以设置全局访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

单例模式的缺点

1. 不适用于变化的对象，如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化，单例就会引起数据的错误，不能保存彼此的状态。
2. 由于单利模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
3. 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。
4. 滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为是垃圾而被回收，这将导致对象状态的丢失。

单例模式的实现

Singleton 模式通常有7种实现形式。

第 1 种：懒汉模式(线程不不安全)

public class Singleton_01 {
    private static Singleton_01 instance;

    private Singleton_01() {
    }

    public static Singleton_01 getInstance() {
        if (null != instance) {
            return instance;
        }
        instance = new Singleton_01();
        return instance;
    }
}

这种方式可以实现懒加载，但是如果多个访问者同时获取对象实例会造成多个同样的实例存在，破坏单例效果。在低并发的情况可以使用。

第 2 种：懒汉模式(线程安全)

public class Singleton_02 {
    private static Singleton_02 instance;

    private Singleton_02() {
    }

    public static synchronized Singleton_02 getInstance() {
        if (null != instance) {
            return instance;
        }
        instance = new Singleton_02();
        return instance;
    }
}

这种方式既实现了懒加载，又确保了线程的安全。但是由于锁加在了获取对象方法上，所有的访问都要进行锁的抢占导致资源的浪费。一般不建议使用这个方式。

第 3 种：饿汉模式(线程安全)

public class Singleton_03 {
    private static Singleton_03 instance = new Singleton_03();

    private Singleton_03() {
    }

    public static Singleton_03 getInstance() {
        return instance;
    }
}

这种方式并非懒加载，在程序启动的之后会直接运行。

这种方式多了会导致加大内存的压力，出现卡顿。

第 4 种：使用类的内部类(线程安全)

public class Singleton_04 {
    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton_04 instance = new Singleton_04();
    }

    private Singleton_04() {
    }

    public static Singleton_04 getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

使用类的静态内部类来实现的单例模式，可以保障懒加载和不会因为加锁导致的性能消耗。主要是由于JVM可以保障一个类的构造方法在多线程环境下被正确加载。比较推荐的使用方式。

第 5 种：双重锁校验(线程安全)

public class Singleton_05 {
    private static Singleton_05 instance;

    private Singleton_05() {
    }

    public static Singleton_05 getInstance() {
        if (null != instance) {
            return instance;
        }
        synchronized (Singleton_05.class) {
            if (null == instance) {
                instance = new Singleton_05();
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种方式是将方法级锁的优化，降低消耗。满足懒加载。

第 6 种：CAS「AtomicReference」(线程安全)

public class Singleton_06 {
    private static final AtomicReference<Singleton_06> INSTANCE = new
            AtomicReference<Singleton_06>();
    private static Singleton_06 instance;

    private Singleton_06() {
    }

    public static Singleton_06 getInstance() {
        // 自旋,一直尝试，直到成功
        for (; ; ) {
            Singleton_06 instance = INSTANCE.get();
            if (null != instance) {
                return instance;
            }
            INSTANCE.compareAndSet(null, new Singleton_06());
            return INSTANCE.get();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Singleton_06.getInstance());
//        org.donny.design.patterns.singleton.Singleton_06@2c13da15
        System.out.println(Singleton_06.getInstance());
//        org.donny.design.patterns.singleton.Singleton_06@2c13da15

    }
}

此方式结合了AtomicReference和CAS的忙等算法，通过AtomicReference封装了引用了一个V实例和CAS的非阻塞来确保线程安全和减少开销。当然CAS会出现忙等死循环的情况。

第 7 种：枚举单例例(线程安全)

public enum Singleton_07 {
    /**
     * 单元素
     */
    INSTANCE;

    public void test() {
        System.out.println("hi~");
    }
}

Effective Java作者推荐的方式，这种方式主要解决了线程安全，自由串行化，单例。

使用注意事项

1. 使用时不能用反射模式创建单例，否则会实例化一个新的对象
2. 使用懒单例模式时注意线程安全问题
3. 单例模式和懒单例模式构造方法都是私有的，因而是不能被继承的，有些单例模式可以被继承（如登记式模式）

适用场景

单例模式只允许创建一个对象，因此节省内存，加快对象访问速度，因此对象需要被公用的场合适合使用，如多个模块使用同一个数据源连接对象等等。如：

1. 需要频繁实例化然后销毁的对象。

2. 创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象。

3. 有状态的工具类对象。

4. 频繁访问数据库或文件的对象。

   以下都是单例模式的经典使用场景：

   1. 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。如上述中的日志文件，应用配置。
   2. 控制资源的情况下，方便资源之间的互相通信。如线程池等。

应用场景举例

1. 外部资源：每台计算机有若干个打印机，但只能有一个PrinterSpooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机。内部资源：大多数软件都有一个（或多个）属性文件存放系统配置，这样的系统应该有一个对象管理这些属性文件
2. Windows的TaskManager（任务管理器）就是很典型的单例模式（这个很熟悉吧），想想看，是不是呢，你能打开两个windows task manager吗？ 不信你自己试试看哦~
3. windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。
4. 网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。
5. 应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。
6. Web应用的配置对象的读取，一般也应用单例模式，这个是由于配置文件是共享的资源。
7. 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池，主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗，这种效率上的损耗还是非常昂贵的，因为何用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗。
8. 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式，这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。
9. 操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。
10. HttpApplication也是单位例的典型应用。熟悉ASP.Net(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式，所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例。

本文主要参考：

1. 小傅哥的《重学Java模式》
2. 《C语言中文网》设计模式的相关内容
3. 《设计模式之禅》第二版 秦小波