聊一聊单例模式

FantasticPsq

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

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
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：
- 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。
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）。
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
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() {  
    }  
}

NGU

太棒了，向你学习！

lwdreamofly

你咋不早点发，早点发我就看你的这个学了

NGU

@lwdreamofly 他四个月前就发了呀

lwdreamofly

@ngu 泻药，那是我疏忽了，当时忘了在团队博客翻

gck

这最后一个写法属实也太爽了8