设计模式---单例模式

一、单例模式(Singleton Pattern)

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。

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

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地创建与销毁。

何时使用:当您想控制实例数目,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:常运用于utils工具类的写法。

  • 1、一个班级只有一个班主任。
  • 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须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,尤其是频繁的创建和销毁实例(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。

 

二、单例模式的各种方案

1、懒汉式(线程不安全)

是否 Lazy 初始化:

是否多线程安全:

实现难度:

描述:这种方式是最基本的实现方式,这种实现最大的问题就是不支持多线程。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。

public class Singleton { 
   // 属性静态化 
    private static Singleton instance;  
    // 私有构造器
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}

2、懒汉式(线程安全)

是否 Lazy 初始化:

是否多线程安全:

实现难度:

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)。

public class Singleton2 {

    private static Singleton2 instance;

    private Singleton2() {
    }

    /**
     * 在获取实例的方法上加锁
     * @return 实例
     */
    public static synchronized Singleton2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton2();
        }
        return instance;
    }
}

3、饿汉式(线程安全)

是否 Lazy 初始化:

是否多线程安全:

实现难度:

描述:这种方式比较常用,但容易产生垃圾对象。也就是说还不确定实例化后是否会被使用。

   如果整个生命周期都没有使用,那么这是对jvm内存的一种浪费行为。
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 classloader 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, 但是也不能确定有其他的方式(或者其他的静态方法)导致类装载,

   这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

public class Singleton3 {
    private static Singleton3 instance = new Singleton3();

    private Singleton3() {
    }

    public static Singleton3 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:

是否多线程安全:

实现难度:较复杂

描述:这种方式采用双重锁机制,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。

public class Singleton4 {

    private static volatile Singleton4 singleton = null;

    private Singleton4() {
    }

    public static Singleton4 getInstance() {
        //第一次校验singleton是否为空
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton4.class) {
                //第二次校验singleton是否为空
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton4();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }


}


为什么是双重校验锁实现单例模式呢?

第一次校验:也就是第一个if(singleton==null),这个是为了代码提高代码执行效率,由于单例模式只要一次创建实例即可。

      所以当创建了一个实例之后,再次调用getInstance方法就不必要进入同步代码块,不用竞争锁。直接返回前面创建的实例即可。

第二次校验:也就是第二个if(singleton==null),这个校验是防止二次创建实例。

      假如有一种情况,当singleton还未被创建时,线程t1调用getInstance方法,由于第一次判断singleton==null,

      此时线程t1准备继续执行,但是由于资源被线程t2抢占了,此时t2页调用getInstance方法,同样的,由于singleton并没有实例化,

      t2同样可以通过第一个if,然后继续往下执行,同步代码块,第二个if也通过,然后t2线程创建了一个实例singleton。

      此时t2线程完成任务,资源又回到t1线程,t1此时也进入同步代码块,如果没有这个第二个if,那么t1也会创建一个singleton实例。

      所带来的的影响就是会出现创建多个实例的情况,但是加上第二个if,就可以完全避免这个多线程导致多次创建实例的问题。

所以说:两次校验都必不可少。

 还有private static volatile Singleton4 singleton=null; 中的volatile也必不可少,volatile关键字可以防止jvm指令重排优化

因为 singleton = new Singleton4() 这句话可以分为三步:

     1. 为 singleton 分配内存空间;
     2. 初始化 singleton;
     3. 将 singleton 指向分配的内存空间。

但是由于JVM具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1-3-2。 指令重排在单线程下不会出现问题,但是在多线程下会导致一个线程获得一个未初始化的实例。

例如:线程T1执行了1和3,此时T2调用 getInstance() 后发现 singleton 不为空,因此返回 singleton, 但是此时的 singleton 还没有被初始化。

使用 volatile 会禁止JVM指令重排,从而保证在多线程下也能正常执行。

volatile关键字的第二个作用,保证变量在多线程运行时的可见性:

在 JDK1.2 之前,Java的内存模型实现总是从主存(即共享内存)读取变量,是不需要进行特别的注意的。

而在当前 的 Java 内存模型下,线程可以把变量保存本地内存(比如机器的寄存器)中,不是直接在主存中进行读写。

这就 可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值,而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝,造成数据的不一致。

要解决这个问题,就需要把变量声明为 volatile,这就指示 JVM,这个变量是不稳定的,每次使用它都到主存中进行 读取。

5、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化:

是否多线程安全:

实现难度:一般

描述: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。

   与第 3 种方式不同的是: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,

   只有通过显式调用 getInstance 方法时,才会显式装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。

   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。

public class Singleton5 {

    private static class SingletonHolder {
        // 在静态内部类中进行实例化对象
        private static final Singleton5 INSTANCE = new Singleton5();

        static {
            System.out.println("对象被实例化。。。。");
        }
    }

    private Singleton5() {
    }

    public static Singleton5 getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

}


思考一个问题,静态内部类为什么可以保证线程安全呢?

classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,因为同一个类JVM在加载的时候有且仅有一次!!!

 

6、枚举

JDK 版本:JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化:

是否多线程安全:

实现难度:

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。

public enum Singleton6 {

    //
    INSTANCE;
    
    public void get() {
    }
    
}

三、单例模式的总结

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 种双检锁方式。

在开发过程中实用性最强的是第三种饿汉方式;

最完美的是静态内部类/登记式,利用JVM的ClassLoader来保证线程安全、懒加载;

单纯从单例模式的定义来看,最佳方案为枚举方式,因为枚举没有构造器(连私有构造器都不存在,所以不会被反射攻击);

对于加锁方式保证单例模式的线程安全,饿汉式的粒度要比第二种懒汉式的粒度更细,所带来的的性能要好些。

四、反射破坏单例模式

六种单例模式,除了枚举是绝对的单例,其他五种都可以通过反射机制来破坏这种实例唯一性!!!

非枚举方式:

 枚举方式:

  

原文地址:https://www.cnblogs.com/han-sun/p/13828807.html