设计模式

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。

注意：
  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。

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：
    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。
  • 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 与数据库的连接等。
  • 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

1. 懒汉式 - 线程不安全 - Lazy初始化

  • 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。

/**
 * 单例模式 - 懒汉式 - 线程不安全 - Lazy初始化
 * @author remainsu
 * @version 1.0 2019-06-12
 */
public class SingleLH {

    private static SingleLH instance;
    
    //private的构造方法，防止被new
    private SingleLH() {}
    
    /**
     * 获取实例
     * @return
     */
    public static SingleLH getInstance() {
        
        if(instance == null) {
            instance = new SingleLH();
        }
        
        return instance;
    }
    
    public void showMessage() {
        
        System.out.println("For SingleLH ..");
    }
}

2. 懒汉式 - 线程安全 - Lazy初始化

  • 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）。

/**
 * 单例模式 - 懒汉式 - 线程安全 - Lazy初始化
 * @author remainsu
 * @version 1.0 2019-06-12
 */
public class SingleLHsyn {

    private static SingleLHsyn instance;
    
    //private的构造方法，防止被new
    private SingleLHsyn() {}
    
    /**
     * 获取实例
     * @return
     */
    public static synchronized SingleLHsyn getInstance() {
        
        if(instance == null) {
            instance = new SingleLHsyn();
        }
        
        return instance;
    }
    
    public void showMessage() {
        
        System.out.println("For SingleLHsyn ..");
    }
}

3. 饿汉式 - 线程安全

  • 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 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。

/**
 * 单例模式 - 饿汉式 - 线程安全
 * @author remainsu
 * @version 1.0 2019-06-12
 */
public class SingleEH {

    private static SingleEH instance = new SingleEH();
    
    //private的构造方法，防止被new
    private SingleEH() {}
    
    /**
     * 获取实例
     * @return
     */
    public static SingleEH getInstance() {
        
        return instance;
    }
    
    public void showMessage() {
        
        System.out.println("For SingleEH ..");
    }
}

4. 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）- 线程安全 - Lazy初始化

  • 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。

/**
 * 单例模式 - 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）- 线程安全 - Lazy初始化
 * @author remainsu
 * @version 1.0 2019-06-12
 */
public class SingleDCL {

    private volatile static SingleDCL instance;
    
    //private的构造方法，防止被new
    private SingleDCL() {}
    
    /**
     * 获取实例
     * @return
     */
    public static SingleDCL getInstance() {
        
        if(instance == null) {
            
            synchronized (SingleDCL.class) {
                if(instance == null) { 
                    instance = new SingleDCL();
                }
            }
        }
        
        return instance;
    }
    
    public void showMessage() {
        
        System.out.println("For SingleDCL ..");
    }
}

5. 登记式/静态内部类 - 线程安全 - Lazy初始化

  • 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 classloader 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，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 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。

/**
 * 单例模式 - 登记式/静态内部类 - 线程安全 - Lazy初始化
 * @author remainsu
 * @version 1.0 2019-06-13
 */
public class SingleDJSstatic {

    /**
     * 静态内部类
     */
    private static class SingleHolder {
        
        /*
         * 常量，单例实例
         */
        private static final SingleDJSstatic INSTANCE = new SingleDJSstatic();
    }
    
    //private的构造方法，防止被new
    private SingleDJSstatic() {}
    
    /**
     * 创建实例，通过内部类
     * @return
     */
    public static SingleDJSstatic getInstance() {
        
        return SingleHolder.INSTANCE;
    }
    
    public void showMessage() {
        
        System.out.println("For SingleDJSstatic ..");
    }
}

6. 枚举 - 线程安全

  • 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。

/**
 * 单例模式 - 枚举 - 线程安全
 * @author remainsu
 * @version 1.0 2019-06-13
 */
public enum SingleEnum {
    
    INSTANCE;
    
    public void showMessage() {
        
        System.out.println("For SingleEnum ..");
    }
}

7. 单例模式测试类

/**
 * 单例模式测试类
 * @author remainsu
 * @version 1.1 2019-06-13
 */
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        
        /*
         * 饿汉式 - 线程安全
         */
        SingleEH seh = SingleEH.getInstance();
        seh.showMessage();
        
        /*
         * 懒汉式 - 非线程安全
         */
        SingleLH slh = SingleLH.getInstance();
        slh.showMessage();
        
        /*
         * 懒汉式 - 线程安全
         */
        SingleLHsyn slhs = SingleLHsyn.getInstance();
        slhs.showMessage();
    
        /*
         * 双检锁/双重校验锁 - 线程安全
         */
        SingleDCL sdcl = SingleDCL.getInstance();
        sdcl.showMessage();
        
        /*
         * 登记式/静态内部类 - 线程安全
         */
        SingleDJSstatic sdjss = SingleDJSstatic.getInstance();
        sdjss.showMessage();
        
        /*
         * 枚举式
         */
        SingleEnum.INSTANCE.showMessage();
    }
}

运行结果：

For SingleEH ..
For SingleLH ..
For SingleLHsyn ..
For SingleDCL ..
For SingleDJSstatic ..
For SingleEnum ..

参考

  1. https://www.runoob.com/design-pattern/singleton-pattern.html
  2. volatile关键字：https://www.cnblogs.com/zhengbin/p/5654805.html
  3. volatile关键字：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1595669808533077617&wfr=spider&for=pc
  4. 枚举实现单例：https://blog.csdn.net/mrsyf/article/details/78291181
  5. 饿汉 & 懒汉：https://blog.csdn.net/qq_35098526/article/details/79893628
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原文地址：https://www.cnblogs.com/remainsu/p/she-ji-mo-shi--dan-li-mo-shi.html