设计模式-04（单例模式）

Posted 2021-10-21 小北呱

                                                             单例模式

                                                                                                  个人博客：www.xiaobeigua.icu 

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         首先了解一下创建型模式，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”。

        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：

        单例模式

        工厂方法模式

        抽象工程模式

        原型模式

        建造者模式

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1.1单例模式的介绍

        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。

                

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1.2 单例模式的结构

单例模式的主要有以下角色：

• 单例类。只能创建一个实例的类
• 访问类。使用单例类

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1.3 单例模式的实现

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

1. 饿汉式-方式1（静态变量方式）

public class Singleton {

    //构造方法私有化
    private Singleton(){};
    
    //创建全局不可变单例对象
    private static final Singleton instance=new Singleton();
    
    //定义获取全局单例对象的唯一静态方法
    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。

2. 饿汉式-方式2（静态代码块方式）

public class Singleton {

    //构造方法私有化
    private Singleton(){};

    //定义全局单例对象变量
    private static  Singleton instance=null;

    //在静态代码块中创建对象  在类加载时被创建
    static {
        instance=new Singleton();
    }

    //定义获取全局单例对象的唯一静态方法
    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. 懒汉式-方式1（线程不安全）

public class Singleton {

    //构造方法私有化
    private Singleton(){};

    //定义全局单例对象变量
    private static  Singleton instance=null;

    
    //定义获取全局单例对象的唯一静态方法,在方法里面判别并创建对象
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance==null){
            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，由于多个线程竞争，就会出现线程安全问题。

4. 懒汉式-方式2（线程安全）

public class Singleton {

    //构造方法私有化
    private Singleton(){};

    //定义全局单例对象变量
    private static  Singleton instance=null;

    //定义获取全局单例对象的唯一静态方法,在方法里面判别并创建对象
    //加上 synchronized 关键字 对此方法进行上锁 ，保证数据安全性
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        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（因为锁住了整个方法，锁的粒度比较粗）。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。

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 {

    //构造方法私有化
    private Singleton(){};

    //定义全局单例对象变量
    private static  Singleton instance=null;

    //定义获取全局单例对象的唯一静态方法,在方法里面判别并创建对象
    //加上 synchronized 对此方法进行上锁 ，保证数据安全性
    public static  Singleton getInstance(){
        
        //先判断对象是否为null
        if (instance==null){
            //使用代码块的方式减小锁的粒度
            synchronized (Singleton.class){
                //再次判断
                if (instance==null){
                    //创建对象
                    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。（对volatile关键字不了解的可以去 看看我的多线程博客）

public class Singleton {

    //构造方法私有化
    private Singleton(){};

    //定义全局单例对象变量并使用volatile关键字修饰
    private static volatile   Singleton instance=null;

    //定义获取全局单例对象的唯一静态方法,在方法里面判别并创建对象
    //加上 synchronized 对此方法进行上锁 ，保证数据安全性
    public static  Singleton getInstance(){

        //先判断对象是否为null
        if (instance==null){
            //使用代码块的方式减小锁的粒度
            synchronized (Singleton.class){
                //再次判断
                if (instance==null){
                    //创建对象
                    instance=new Singleton();
                }
            }

        }

        return instance;
    }

}

说明：

        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。

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() {}

    private static class SingletonHolder {
        
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //对外提供静态方法获取该对象
    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。

        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。

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1.3 JDK源码解析-Runtime类

        Runtime 类代表着Java程序的运行时环境，每个Java程序都有一个Runtime实例，该类会被自动创建，我们可以通过Runtime.getRuntime() 方法来获取当前程序的Runtime实例

Runtime类就是使用的单例设计模式。

源码：

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() {}
        ...
}

        从上面源代码中可以看出Runtime类使用的是饿汉式（静态属性）方式来实现单例模式的。

使用Runtime类中的方法

public class RuntimeDemo {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        
        //获取Runtime类对象
        Runtime runtime = Runtime.getRuntime();

        //返回 Java 虚拟机中的内存总量。
        System.out.println(runtime.totalMemory());

        //返回 Java 虚拟机试图使用的最大内存量。
        System.out.println(runtime.maxMemory());

        //创建一个新的进程执行指定的字符串命令，返回进程对象
        Process process = runtime.exec("ipconfig");

        //获取命令执行后的结果，通过输入流获取
        InputStream inputStream = process.getInputStream();

        byte[] arr = new byte[1024 * 1024* 100];
        int b = inputStream.read(arr);
        System.out.println(new String(arr,0,b,"gbk"));
    }
}