是时候学习23种设计模式了-单例模式

Posted 2021-04-25 Java平台框架技术共享

1、前言

单例模式属于创建型模式，其目的是确保在整个应用运行期间一个类只有一个实例，并提供一个静态的全局访问点，无论在什么情况下，只会产生一个实例。

2、如何设计单例

关于如何设计单例模式其实很简单，只需要考虑一个问题，实例是否可以保证全局唯一。而关于实例是否保证全局唯一又延伸出如下问题：
（1）是否线程安全，不安全肯定就无法保证全局只有一个实例。
（2）是否支持序列化，支持序列化的类，被反序列化之后肯定就不是全局唯一了。
（3）是否支持反射，支持反射也无法保证全局唯一。
（4）是否可以被克隆，如果可以被克隆，自然也无法保证全局唯一。

3、常见的实现方式

常见的单例模式实现有5种，分别是：懒汉式、饿汉式、双重检查、静态内部类、枚举。也可以将其大致分成以下三类：
（1）是否支持延迟加载，分为懒汉式和饿汉式。
（2）线程安全设计了双重检查、静态内部类实现方式。
（3）不支持序列化、反射、克隆使用枚举实现方式。

其中枚举的实现方式最简单，也最安全，所以推荐使用枚举实现。其次推荐使用静态内部类方式实现。

4、实现单例模式

4.1、懒汉式

public class Singleton1 {

    //声明一个私有的静态变量
    private static Singleton1 singleton;

    /**
 * 构造方式私有化，保证在外部无法通过new来创建对象
 */
    private Singleton1() {
    }

    /**
 * 提供一个static方法来获取当前实例
 *
 * @return
 */
    public static Singleton1 getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton1();
        }
        return singleton;
    }
}

Singleton1通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton1的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的 Java 单例实现失效。并且以上例子中没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton1实例。

懒汉式是典型的时间换空间，就是每次获取实例都会进行判断，看是否需要创建实例，浪费判断的时间。当然，如果一直没有人使用的话，那就不会创建实例，则节约内存空间。

4.2、饿汉式

public class Singleton2 {
    //声明一个私有的静态变量，并直接创建当前类对象
    private static Singleton2 singleton = new Singleton2();

    /**
 * 构造方式私有化，保证在外部无法通过new来创建对象
 */
    private Singleton2() {
    }

    /**
 * 提供一个static方法来获取当前实例
 *
 * @return
 */
    public static Singleton2 getInstance() {
        return singleton;
    }
}

该方式的优点在于线程安全，代码简单。而缺点在于当类加载的时候就会创建类的实例，不管你用不用，先创建出来，然后每次调用的时候就不需要再判断，节省了运行时间。

4.3、双重检查

public class Singleton3 {
    //声明一个私有的静态变量，使用volatile修饰
    private static volatile Singleton3 singleton;

    /**
 * 构造方式私有化，保证在外部无法通过new来创建对象
 */
    private Singleton3() {
    }

    /**
 * 提供一个static方法来获取当前实例
 *
 * @return
 */
    public static Singleton3 getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton3.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton3();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

使用“双重检查加锁”的方式来实现，就可以既实现线程安全，又能够使性能不受很大的影响。所谓“双重检查加锁”机制，指的是：并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法后，先检查实例是否存在，如果不存在才进行下面的同步块，这是第一重检查，进入同步块过后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。这样一来，就只需要同步一次了，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。

这里通常会涉及到一个常见的面试题：为什么使用volatile修饰singleton变量？

volatile的作用是： 防止重排序优化，如果不用volatile修饰，多线程的情况下，可能会出现线程A进入synchronized代码块，执行new Singleton3();，首先给singleton分配内存，但是还没有初始化变量，这时候线程B进入getInstance方法，进行第一个判断，此时singleton已经不为空，直接返回singleton，然后肯定报错。使用volatile修饰之后禁止jvm重排序优化，所以就不会出现上面的问题。

注意： 由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高。因此一般建议，没有特别的需要，不要使用。也就是说，虽然可以使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例，但并不建议大量采用，可以根据情况来选用。

4.4、静态内部类

public class Singleton4 {

    /**
 * 构造方式私有化，保证在外部无法通过new来创建对象
 */
    private Singleton4() {
    }

    /**
 * 静态内部类
 */
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton4 instance = new Singleton4();
    }

    public static Singleton4 getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

当getInstance()方法第一次被调用的时候，它第一次读取SingletonHolder.INSTANCE，导致SingletonHolder类得到初始化；而这个类在装载并被初始化的时候，会初始化它的静态域，从而创建Singleton4的实例，由于是静态的域，因此只会在虚拟机装载类的时候初始化一次，并由虚拟机来保证它的线程安全性。

4.5、枚举实现

public enum Singleton5 {

    SINGLETON;

    public void method() {
        //do something
    }
}

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

5、单例模式在JDK中的应用

在JDK中，java.lang.Runtime就是经典的单例模式（饿汉式）。其源代码片段如下：

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
 * Returns the runtime object associated with the current Java application.
 * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
 * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
 *
 * @return the <code>Runtime</code> object associated with the current
 * Java application.
 */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}

6、其它说明

（1）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，同时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。
（2）单例模式使用的场景：需要频繁的创建和销毁对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多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、Hibernate的sessionFactory等）。

END

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