从零开始学习Java设计模式 | 创建型模式篇：单例设计模式

Posted 2021-08-06 李阿昀

从本讲开始，咱们就要开始正式学习23种设计模式了。当然，我们得按照顺序来学，首先先来学习23种设计模式里面的第一类模式，即创建型模式。

创建型模式的主要关注点是"怎样创建对象？"，它的主要特点是"将对象的创建与使用分离"。也就是说，如果我们作为一个使用者的话，那么我们可以直接通过某种方式去获取别人创建好的对象，至于别人是如何创建的，我们并不关注。这样，就可以降低系统的耦合度了，使用者并不需要关注对象的创建细节，尤其是那些创建特别麻烦的对象。于是，创建型模式的好处就这样体现出来了。

此外，我们还应知道，创建型模式分为以下几种：

• 单例模式
• 工厂方法模式
• 抽象工厂模式
• 原型模式
• 建造者模式

注意，在本讲中，我们先来学习第一种创建型模式，即单例模式。

概述

单例模式（Singleton Pattern）是Java中最简单的设计模式之一。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。

单例设计模式的概念讲完之后，接下来我们再来看一下单例设计模式的结构。

结构

单例设计模式主要有两种角色，它们分别是：

• 单例类：该类只能创建一个对象
• 访问类：该类其实就是测试类，即使用单例类

实现

在介绍单例设计模式的实现之前，我们先来看一下单例设计模式的分类，单例设计模式可分为如下两类：

• 饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建。也就是说类加载的时候，该类的对象就创建好了
• 懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建

所以，我们如何去区分饿汉式和懒汉式呢？只需要去判断该单实例对象是否是在类加载的时候创建即可，若是，则是饿汉式，若不是，则是懒汉式。

饿汉式

在本节，我们先来看一下饿汉式是如何来实现的。大家要注意了，饿汉式又可分为多种实现方式，在这里，我只介绍两种，它们分别是：

• 静态成员变量方式
• 静态代码块方式

下面，我们先来看静态成员变量这种实现方式。

实现方式一：静态成员变量方式

打开咱们的maven工程，并在com.meimeixia包下再创建一个子包，即pattern，在该包下存放的都是我们编写的有关设计模式的代码，然后在pattern包下再创建一个子包，即singleton，这表明编写的有关单例设计模式的代码我们都会放在该包下。

由于单例设计模式有多种实现方式，要想讲清楚每一种实现方式，我们还得在com.meimeixia.pattern.singleton包下分别创建多个子包来存放每一种实现方式所对应的代码，例如com.meimeixia.pattern.singleton.demo1包里面存放的就是饿汉式第一种实现方式（即静态成员变量方式）所对应的代码。

以上工作都做好之后，下面咱们就得来正式编写代码实现饿汉式的第一种实现方式（即静态成员变量方式）了。

首先，在com.meimeixia.pattern.singleton.demo1包下创建一个单例类，不妨我们就命名为Singleton。

那如何创建该类呢？只要大家跟着我的思路一步一步来，相信大家肯定能创建出来。

1. 私有构造方法：为什么要私有构造方法呢？因为私有了构造方法之后，外界就访问不到这个构造方法了，访问不到的话外界就无法去创建对象了
2. 在本类中创建一个本类对象供外界去使用
3. 提供一个公共的访问方式，让外界获取该对象

经过上述三步，相信你很快就能创建出Singleton类了。

package com.meimeixia.pattern.singleton.demo1;

/**
 * 饿汉式：静态成员变量
 * @author liayun
 * @create 2021-05-28 18:07
 */
public class Singleton {

    // 1. 私有构造方法
    private Singleton() {}

    // 2. 在本类中创建本类对象
    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 3. 提供一个公共的访问方式，让外界获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

注意，以上该类中对外提供的公共访问方法，除了使用public修饰之外，还使用了static修饰，这是为什么呢？因为外界无法创建Singleton类的对象，既然不能创建对象的话，那么就无法去调用其非静态方法了，所以这里面我们对外要提供的是静态方法。而且，由于静态的不能直接访问非静态的，所以instance成员变量还得使用static来修饰。

然后，创建一个测试类，这里我们不妨就命名为Client。

package com.meimeixia.pattern.singleton.demo1;

/**
 * @author liayun
 * @create 2021-05-28 18:16
 */
public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建Singleton类的对象
        Singleton instance = Singleton.getInstance();

        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        // 判断获取到的两个是否是同一个对象
        System.out.println(instance == instance1);
    }

}

可以看到，两次获取到Singleton类的对象之后，我们还得再来判断一下获取到的两个对象是不是同一个对象。

此时，我们运行一下以上测试类，如下图所示，可以看到打印结果是true，也就是说两次获取到Singleton类的对象是同一个对象，这样，我们就已经保证Singleton这个类只能创建一个对象了。

实现方式二：静态代码块方式

饿汉式的第一种实现方式我们已经实现了，接下来，我们再来看一下饿汉式的第二种实现方式，即静态代码块方式。

首先，在com.meimeixia.pattern.singleton包下再创建一个子包，即demo2，这表明编写的饿汉式的第二种实现方式的代码我们都会放在该包下。

然后，在com.meimeixia.pattern.singleton.demo2包下创建一个单例类，该类我们同样命名为Singleton。

同理，只要大家跟着我的思路一步一步来，相信你一定能创建出该类。

1. 私有构造方法：私有构造方法其实就是为了让外界不能创建该类的对象
2. 在成员位置声明一个该类的成员变量，不过不要给其赋值
3. 在静态代码块中进行赋值
4. 对外提供一个公共的访问方式，让外界获取该对象

经过上述四步，相信你很快就能创建出Singleton类了。

package com.meimeixia.pattern.singleton.demo2;

/**
 * 饿汉式：静态代码块
 * @author liayun
 * @create 2021-05-28 18:29
 */
public class Singleton {

    // 私有构造方法
    private Singleton() {}

    // 声明Singleton类型的变量
    private static Singleton instance;

    // 在静态代码块中进行赋值
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    // 对外提供获取该类对象的方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

你会发现，这和饿汉式的第一种实现方式唯一的区别是：对于饿汉式的第一种实现方式来说，在单例类里面是在成员位置声明了一个该类的成员变量，声明的同时并直接为其进行了赋值；而对于饿汉式的第二种实现方式而言，在单例类里面是先在成员位置声明了一个该类的成员变量，然后再在静态代码块里面对其进行赋值。除此之外，这两种实现方式就差不多了，其他就没有什么区别了。

紧接着，创建一个测试类，同理我们不妨命名为Client。

package com.meimeixia.pattern.singleton.demo2;

/**
 * @author liayun
 * @create 2021-05-28 23:47
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        // 判断两次获取到的Singleton对象是否是同一个对象
        System.out.println(instance == instance1);
    }
}

最后，我们运行一下以上测试类，若打印结果是true，则说明我们确实已经做到了单例；若打印结果是false，则说明我们写的代码是有问题的。如下图所示，可以看到打印结果是true，也就是说两次获取到Singleton类的对象是同一个对象，当然了，多次获取到的肯定也是同一个对象，这不用说。

至此，我就将饿汉式的两种实现方式讲解完了。那么我们不妨再来总结一下饿汉式有什么特点？不管是饿汉式的第一种实现方式还是第二种实现方式，它们都属于是在类加载的时候就已经创建了该类的对象。

大家不妨设想一下这种情况，如果我们只是对单例类进行了一个类加载的操作，并没有去获取该类的对象，那么这个对象是不是已经存在于内存中了啊！当然了，前提是使用饿汉式的方式来实现单例。此时，如果我们一直不用它的话，那么你会发现它是一直存在于内存中的，这势必就会造成内存的浪费。也就是说，饿汉式的另外一个特点是会造成内存的浪费。

由于饿汉式会浪费内存，所以我们还得去学习一下懒汉式，下面我就会讲到。

懒汉式

饿汉式的两种实现方式讲完之后，接下来我们来看一下懒汉式。当然，懒汉式它也有多种实现方式，下面我会一一介绍给大家。

接下来，我们先来看懒汉式的第一种实现方式，即线程不安全的方式。

实现方式一：线程不安全

首先，在com.meimeixia.pattern.singleton包下再创建一个子包，即demo3，这表明编写的懒汉式的第一种实现方式的代码我们都会放在该包下。

然后，在com.meimeixia.pattern.singleton.demo3包下创建一个单例类，该类我们同样命名为Singleton。

同理，只要大家跟着我的思路一步一步来，相信你一定能创建出该类。

1. 私有构造方法
2. 在成员位置声明一个该类的成员变量，不过不要给其赋值
3. 对外提供一个公共的访问方式

经过以上三个步骤，可能有些同学写出来的Singleton类是下面这样的。

package com.meimeixia.pattern.singleton.demo3;

/**
 * 懒汉式
 * @author liayun
 * @create 2021-05-29 17:57
 */
public class Singleton {

    // 私有构造方法
    private Singleton() {}

    // 声明Singleton类型的变量instance
    private static Singleton instance; // 只是声明了一个该类型的变量，并没有对其进行赋值

    // 对外提供访问方式
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        instance = new Singleton();
        return instance;
    }

}

写出来之后，他还很得意，他说懒汉式的概念不就是在首次使用单实例对象的时候才创建的嘛，首次使用无非就是调用以上getInstance方法呗，所以我在该方法里面给其赋值并返回出去，不是合情合理的吗？是，懒汉式的概念理解得是没错，但他没意识到一个问题，就是外界每调用一次getInstance方法，都会发现又重新new了一个对象，这样，多次获取到的肯定就不是同一个对象了。

你要是不信的话，不妨编写一个测试类来测试一下。

package com.meimeixia.pattern.singleton.demo3;

/**
 * @author liayun
 * @create 2021-05-29 18:03
 */
public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();

        // 判断两次获取到的Singleton对象是否是同一个对象
        System.out.println(instance == instance1);
    }

}

运行以上测试类之后，如下图所示，你会发现打印结果是false，为什么是false呢？上面我已经分析过了，这里不再赘述。

而我们现在想要的是以上Singleton类只能创建一个对象，所以我们得在Singleton类的getInstance方法里面加上一个如下if判断。

package com.meimeixia.pattern.singleton.demo3;

/**
 * 懒汉式
 * @author liayun
 * @create 2021-05-29 17:57
 */
public class Singleton {

    // 私有构造方法
    private Singleton() {}

    // 声明Singleton类型的变量instance
    private static Singleton instance; // 只是声明了一个该类型的变量，并没有对其进行赋值

    // 对外提供访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        // 判断instance是否为null，如果为null，那么说明还没有创建Singleton类的对象
        // 如果没有创建的话，那么我们就创建一个并返回；如果有创建，那么直接返回即可
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

代码改进之后，不妨再来运行一下测试类，如下图所示，发现打印结果是true，这说明咱们多次获取到的是同一个对象。

你觉得以上Singleton类写的有没有什么问题啊？肯定是存在问题的，如果是多线程环境下，那么就会出现线程安全问题。

为什么这么说呢？假设现在是多线程环境，两个线程同时调用getInstance方法，线程1拿到cpu的执行权，它在调用getInstance方法时，首先肯定是要做一个判断的，做完判断之后，它会进入到判断里面。此时，如果线程2拿到了cpu的执行权，那么线程1就会处于等待状态，同样，线程2在调用getInstance方法时也是要进行判断的，你觉得线程2还能进入到判断里面吗？

肯定能够啊！因为此时if判断条件是成立的，即instance是等于null的，这一切都是由于线程1还处于等待状态，还未执行下面的代码而导致的。也就是说，只要线程2获取到了cpu的执行权，那么它也会进入到判断里面。这样，以上Singleton类创建的就不是单个对象了，而是多个。

实现方式二：线程安全

既然以上实现方式在多线程环境下会出现线程安全问题，那么我们就得改进代码了，如何进行改进呢？很简单，只须在以上Singleton类的getInstance方法上加上一个同步关键字（即synchronized）即可。

package com.meimeixia.pattern.singleton.demo3;

/**
 * 懒汉式
 * @author liayun
 * @create 2021-05-29 17:57
 */
public class Singleton {

    // 私有构造方法
    private Singleton() {}

    // 声明Singleton类型的变量instance
    private static Singleton instance; // 只是声明了一个该类型的变量，并没有对其进行赋值

    // 对外提供访问方式
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        // 判断instance是否为null，如果为null，那么说明还没有创建Singleton类的对象
        // 如果没有创建的话，那么我们就创建一个并返回；如果有创建，那么直接返回即可
        if (instance == null) {
            // 线程1等待，线程2获取到cpu的执行权，也会进入到该判断里面
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

由于涉及到多线程，如果我们暂时不创建多线程的话，那么是演示不出来效果的，而且即使创建出来多线程，也不一定能演示出来效果，所以，我们只好做如下分析了。

假设线程1现在拿到了cpu的执行权，它在调用getInstance方法时，首先肯定是要做一个判断的，做完判断之后，它会进入到判断里面。此时，如果线程2拿到了cpu的执行权，那么线程1就会处于等待状态，这样，当线程2调用getInstance方法时，线程2现在还能进入到判断里面吗？很显然，进不来，因为这里面有一个同步锁，而线程1还在判断里面等待，它并没有释放这个同步锁，所以线程2是进不来的，它只能在外面等着。那么这样的话，线程2就只能等线程1执行完，而线程1执行完，就意味着instance变量已经被赋好值了，如此一来，就解决掉了线程不安全的问题了。

因此，以上两种实现方式要进行选择的话，我们肯定首选线程安全的这种实现方式。

实现方式三：双重检查锁

接下来，我们来看一下懒汉式的第三种实现方式，即双重检查锁方式。在讲解双重检查锁方式之前，我们先讨论一下上面懒汉式线程安全的那种实现方式所存在的问题，也即在getInstance方法上加了锁之后所导致的性能问题。

先看下面这句话：

对于getInstance方法来说，绝大部分的操作都是读操作，而读操作本身就是线程安全的，所以我们没必要让每个线程必须持有锁才能调用该方法，故我们需要调整加锁的时机。

看完上面这句话之后，有些同学可能不甚理解什么是读操作。没关系，我为大家解释一下，大家不妨看一下以上懒汉式的第二种实现方式所对应的代码，可以看到，第一次调用getInstance方法的时候，会先判断instance是否为null，此时肯定是为null的，所以就会创建一个Singleton类的对象，并将其赋给instance，这是一个赋值的操作，我们又可以称为写操作。

赋完值之后，接着就要把instance的值进行一个返回了，即将当前类的对象返回。后续每一次调用getInstance方法时，由于if判断语句中的条件不再成立（这是因为instance已经被赋予值了），所以都会直接将instance的值进行返回。于是，后续每一次调用getInstance方法，将instance直接返回的这个操作，我们就可以把它称为读操作了。

明确了读操作之后，我们继续看以上那句话的后半段描述，说我们没必要让每个线程必须持有锁才能调用getInstance方法，为什么呢？因为这会导致程序运行的性能更加低下。所以，我们才要调整加锁的时机，由此也产生了一种新的实现方式——双重检查锁方式。

既然是双重检查，那么肯定是两次判断了。接下来，我们就来看一下具体的代码实现。

首先，在com.meimeixia.pattern.singleton包下再创建一个子包，即demo4，这表明编写的懒汉式的第三种实现方式的代码我们都会放在该包下。

然后，在com.meimeixia.pattern.singleton.demo4包下创建一个单例类，该类我们同样命名为Singleton。

同理，只要大家跟着我的思路一步一步来，相信你一定能创建出该类。

1. 私有构造方法
2. 在成员位置声明一个该类的成员变量，不过不要给其赋值
3. 对外提供一个公共的访问方式，在该方法里面记得要做两次判断

经过以上三个步骤，相信大家能写出来下面这样的Singleton类。

package com.meimeixia.pattern.singleton.demo4;

/**
 * 双重检查锁方式
 * @author liayun
 * @create 2021-05-29 18:48
 */
public class Singleton {
    // 私有构造方法
    private Singleton() {}

    // 声明Singleton类型的变量
    private static /*volatile*/ Singleton instance;

    // 对外提供公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次判断，如果instance的值不为null，那么就不需要抢占锁了，直接返回对象即可
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二次判断
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

可以看到，对于getInstance方法来说，我们是做了两次判断的。

• 第一次判断：判断instance是否等于null，若是，则需抢占锁；若不是，则直接返回instance即可，由于并没有去持有锁，所以效率就可以得到提升了
• 第二次判断：如果第一次判断时，instance等于null，那么进来判断里面之后我们得先持一把锁，