设计模式创建者模式 -- 创建者模式概述 & 单例设计模式的介绍和实现（饿汉式 & 懒汉式）

Posted 2021-10-17 Z && Y

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了设计模式创建者模式 -- 创建者模式概述 & 单例设计模式的介绍和实现（饿汉式 & 懒汉式）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1. 创建者模式概述

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”。这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节。

创建型模式分为：

简单工厂模式
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

2. 单例设计模式

2.1 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。

2.1 单例模式的优点

单例模式保证java应用程序中，一个类Class只有一个实例在，使用单例模式好处在于可以节省内存，节约资源，对于一般频繁创建和销毁对象的可以使用单例模式。
因为它限制了实例的个数，有利于java垃圾回收。好的单例模式也能提高性能。例如：数据库连接池、httpclient连接单例
对于系统中的某些类来说，只有一个实例很重要，Windows中就只能打开一个任务管理器，如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢？定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问，但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

3. 单例模式的实现（饿汉式 & 懒汉式）

单例设计模式分类两种：

饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建
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

3.1 饿汉式-方式1（静态变量方式）

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

    // 2. 在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 3. 对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

说明:

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

3.2 饿汉式-方式2（静态代码块方式）

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

    // 2. 在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;// null

    // 3. 在静态代码块中进行赋值
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    // 4. 对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

说明:

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建是在静态代码块中，也是对着类的加载而创建。所以和饿汉式的方式1基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。

3.3 懒汉式-方式1（线程不安全）

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

    // 2. 在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;// null

    // 3. 对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        //判断instance是否为null，如果为null，说明还没有创建Singleton类的对象
        //如果没有，创建一个并返回，如果有，直接返回
        if (instance == null) {
            // 线程1等待，线程2获取到cpu的执行权(时间片)，也会进入到该判断里面
            // 出现这种情况就会创建2个实例, 违反了单例原则
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

说明:

从上面代码我们可以看出该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并没有进行对象的赋值操作，那么什么时候赋值的呢？当调用getInstance()方法获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象，这样就实现了懒加载的效果。但是，如果是多线程环境，会出现
线程安全问题。

3.4 懒汉式-方式2（线程安全）

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

    // 2. 在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;// null

    // 3. 对外提供静态方法获取该对象
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        /*
        加上synchronized锁, 因为该方法是静态方法, 所以锁的是该类的class对象,
        在多个线程访问的情况下,不满足临界区的竞态条件.
         */
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

说明：

该方式也实现了懒加载效果，同时又解决了线程安全问题。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字，导致该方法的执行效果特别低。从上面代码我们可以看出，其实就是在初始化instance的时候才会出现线程安全问题，一旦初始化完成就不存在了。

3.5 懒汉式-方式3（双重检查锁）

再来讨论一下懒汉模式中加锁的问题，对于 getInstance() 方法来说，绝大部分的操作都是读操作，读操作是线程安全的，所以我们没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法，我们需要调整加锁的时机。由此也产生了一种新的实现模式：双重检查锁模式

public class Singleton {

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

    //声明Singleton类型的变量
    private static 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，不需要抢占锁，直接返回对象
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                //第二次判断
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

双重检查锁模式是一种非常好的单例实现模式，解决了单例、性能、线程安全问题，上面的双重检测锁模式看上去完美无缺，其实是存在问题，在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。
要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题，只需要使用 volatile 关键字，volatile 关键字可以保证可见性和有序性。

代码优化:（防止指令重排）

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，不需要抢占锁，直接返回对象
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                //第二次判断
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }

        return instance;
    }
}

小结:

添加 volatile 关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例实现模式，能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题。

补充:

不懂volatile 的可以参考我之前的博客这是JUC相关的知识
00: JUC并发编程 – 有序性(指令重排序优化 & 支持流水线的处理器 & 指令重排序的问题/验证/禁用)
01: JUC并发编程原理之 volatile – 保证可见性 & 保证有序性 & 习题 balking模式
 02: JUC并发编程原理之 volatile – double-checked locking（简介 & 问题分析 & 问题解决）

3.6 懒汉式-方式4（静态内部类方式）

静态内部类单例模式中实例由内部类创建，由于 JVM 在加载外部类的过程中, 是不会加载静态内部类的, 只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载, 并初始化其静态属性。静态属性由于被static 修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证实例化顺序。

public class Singleton {

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

    //定义一个静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        //在内部类中声明并初始化外部类的对象
        //final关键字修饰对象是对象的地址不可变,里面成员变量的值是可以更改的
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

说明：

第一次加载Singleton类时不会去初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance，虚拟机加载SingletonHolder并初始化INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证 Singleton 类的唯一性。

小结：

静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有加任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。

3.7 枚举方式

枚举类

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

测试类

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

        System.out.println(instance == instance1);
    }
}