单例模式

设计模式

单例模式

  • 单例模式（Abstract Factory 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。这个类提供了访问其唯一对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

  • 1、单例只能有一个实例。
  • 2、单例类必需自己创建自己的唯一实例。
  • 3、单例类必需给所有其他对象提供这一实例。

介绍

  • 意图： 保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
  • 主要解决： 一个全局使用的类频繁创建与销毁。
  • 何时使用： 当你想控制实例数目，节省系统资源的时候。
  • 如何解决： 判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
  • 关键代码： 构造函数是私有的。
  • 应用实例：
    • 1、一个党只能有一个主席。
    • 2、Windows是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必需通过唯一的实例来进行。
    • 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
  • 优点：
    • 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
    • 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
  • 缺点： 没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。
  • 使用场景：
    • 1、要求生产唯一序列号。
    • 2、WEB中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
    • 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如I/O与数据库连接等。
  • 注意事项：getInstance()方法中需要使用同步锁synchronized(Singleton.class)防止多线程同时进入造成instance被多次实例化。

实现

我们将创建一个SingleObject类。SingleObject类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。
SingleObject类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo，我们演示类使用SingleObject类来获取SingleObject对象。

SingletonPatternDemo

步骤 1

创建一个 Singleton 类。
SingleObject.java

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public class SingleObject {
   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。
SingletonPatternDemo.java

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public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      //不合法的构造函数
      //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();
      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

步骤 3

验证输出。

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验证输出。

单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，如下所示：

1、懒汉式，线程不安全

  • 是否Lazy初始化： 是
  • 是否多线程安全： 否
  • 实现难度： 易
  • 描述: 这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题是不支持多线程。因为没有加锁synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
    这种方式lazy loading很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

代码实例:

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public class Singleton{
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。

2、懒汉式，线程安全

  • 是否Lazy初始化： 是
  • 是否多线程安全： 是
  • 实现难度： 易
  • 描述: 这种方式具备很好的lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99%情况下不需要同步。
  • 优点: 第一次调用才初始化，避免内存浪费。
  • 缺点: 必须加锁synchronized才能保证单例，但加锁会影响效率。
    getInstance()的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

代码实例:

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public class Singleton{
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}
    
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

3、饿汉式

  • 是否Lazy初始化： 否
  • 是否多线程安全： 是
  • 实现难度： 易
  • 描述: 这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象
  • 优点: 没有加锁，执行效率会提高。
  • 缺点: 类加载时就初始化，浪费内存。
    它基于classloder机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法，但是也不确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化instyance显然没有达到lazy loading的效果。

代码实例:

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public class Singleton{
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

  • JDK 版本： JDK1.5 起
  • 是否Lazy初始化： 是
  • 是否多线程安全： 是
  • 实现难度： 较复杂
  • 描述: 这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
    getInstance()的性能对应用程序很关键。

代码实例:

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public class Singleton{
    private static Singleton singleton;
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance(){
        if(singleton == null){
            sychronized (Singleton.class){
                if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

5、登记锁/静态内部类

  • 是否Lazy初始化： 是
  • 是否多线程安全： 是
  • 实现难度： 一般
  • 描述: 这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
    这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

代码实例:

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public class Singleton{
    private static class SingletonHoler{
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton(){}
    public static final Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

6、枚举

  • JDK 版本： JDK1.5 起
  • 是否Lazy初始化： 否
  • 是否多线程安全： 是
  • 实现难度： 易
  • 描述: 这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
    这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
    不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

代码实例:

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public enum Singleton{
    INSTANCE;
    public void hateverMethod(){
    
    }
}

结束语

  • 一般情况下，不建议使用第1种和第2种懒汉方式，建议使用第3种饿汉方式。只有在要明确实现lazy loading效果时，才会使用第5种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第6种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第4中双检锁方式。

本文标题:单例模式

文章作者:KingMo

发布时间:2017-05-25, 17:57:00

最后更新:2017-05-25, 18:08:55

原始链接:http://www.kingmo.wang/2017/05/25/2017-05-25-SingletonPattern/

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文章目录
  1. 1. 单例模式
  2. 2. 介绍
  3. 3. 实现
    1. 3.1. 步骤 1
    2. 3.2. 步骤 2
    3. 3.3. 步骤 3
  4. 4. 单例模式的几种实现方式
    1. 4.1. 1、懒汉式，线程不安全
    2. 4.2. 2、懒汉式，线程安全
    3. 4.3. 3、饿汉式
    4. 4.4. 4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
    5. 4.5. 5、登记锁/静态内部类
    6. 4.6. 6、枚举
  5. 5. 结束语