聊一聊单例模式
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单例模式
简介
单例模式(SingletonPattern)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:
- 单例类只能由一个实例
- 单例类必须自己创建自己的唯一实例
- 单例类必须给所有其他对象提供这一实例
具体介绍
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意图:保证一个类仅有一个实例,并提供了一个访问它的全局访问点
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主要解决:一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
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何时使用:当您想控制实例数目,节省系统资源的时候。
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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
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关键代码:构造函数是私有的。
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应用实例:
- 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。
- 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。
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优点:
- 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
- 避免对资源的多重占用(比如写文件操作)。
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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的逻辑,而不应该关心外部怎么来实例化
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使用场景:
- 要求产生唯一的序列号
- 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
- 创建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
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 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。
SingleObject.java
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!"); } }
从singleton类获取唯一的对象
SingletonPatternDemo.java
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(); } }
单例模式的几种实现方式
1、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:这种方式具备良好的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,但加锁会影响速率。
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 Singleton { private static Singleton instance; private Singleton (){} public static synchronized Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; } }
2、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,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)导致类加载,这时候初始化instance显然没有达到lazy loading(懒加载就是延迟加载,即当对象需要用到的时候再去加载)的效果。
public class Singleton { private static Singleton instance = new Singleton(); private Singleton (){} public static Singleton getInstance() { return instance; } }
3、双检验/双重校验(DCL,即double-check locking)
JDK版本:1.5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。
public class Singleton { private volatile static Singleton singleton; private Singleton (){} public static Singleton getSingleton() { // HashMap以及ConcurrentHashMap的put都使用了 if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }
4、登记式/静态内部类
是否懒加载: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00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。这种方式只适用于静态域情况,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。
public class Singleton { private static class SingletonHolder { private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); } private Singleton (){} public static final Singleton getInstance() { return SingletonHolder.INSTANCE; } }
5、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。public enum Singleton { INSTANCE; public void whateverMethod() { } }
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太棒了,向你学习!
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你咋不早点发,早点发我就看你的这个学了
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@lwdreamofly 他四个月前就发了呀
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@ngu 泻药,那是我疏忽了,当时忘了在团队博客翻
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这最后一个写法属实也太爽了8