【剑指offer】面试题2：实现 Singleton 模式

蔚落 2022-04-01 10:00 158阅读 0赞

## **本文目录：** ##

**懒汉式和饿汉式**

**解法1：只适用于单线程环境 （不好）**

**解法2：虽然在多线程环境中能工作，但是效率不高 （不好）**

**解法3：加同步锁前后两次判断实例是否存在  （可行）**

**解法4：利用类静态变量初始化一个实例  （推荐使用）**

**解法5：静态内部类实现按需创建实例 （推荐使用）**

**总结**

--------------------

> **题目：设计一个类，我们只能生成该类的一个实例。**
> 
> **考点：对单例模式（Singleton）模型的理解。**

只能生成一个实例的类是实现了Singleton（单例）模式的类型。

开篇我们先说明一个问题：“懒汉式和饿汉式”的是什么意思？

## 懒汉式和饿汉式 ##

所谓“懒汉式”与“饿汉式”的区别就是：在建立单例对象的时间的不同。

**懒汉式：在你真正用到的时候才去创建这个单例对象**

public class Singleton(){
        
        private static Singleton singleton = null;   // 只是声明一个singleton对象，并没有创建
    
        private Singleton(){
        
        }
    
        public static synchronized Singleton getInstance(){
            if(singleton == null){            // 先判断是否为空
                singleton = new Singleton();  // 懒汉式做法
            }
            
            return singleton;
        }
    }

**饿汉式：不管你会不会用上，一开始就创建这个单例对象**

public class Singleton(){
        
        private static Singleton singleton = new Singleton();   // 只是声明一个singleton对象，并没有创建
    
        private Singleton(){
        
        }
    
        public static synchronized Singleton getInstance(){
            
            return singleton;   // 直接返回创建好的singleton对象
        }
    }

--------------------

## 解法1：只适用于单线程环境 （不好） ##

由于要求只能生成一个实例，因此我们必须把构造函数设为私有函数已禁止他人创建实例。我们可以定义一个静态实例，在需要的时候创建该实例。代码如下所示：

public class Singleton1 {
    
    	private static Singleton1 instance = null;
    	
            // 私有的构造函数
    	private Singleton1(){
    		
    	}
    	
    	public static Singleton1 getInstance(){
    		if(instance == null){
    			instance = new Singleton1();
    		}
    		return instance;
    	}
    }

Singleton的静态属性instance，只有instance为null的时候才创建一个实例，构造函数私有，确保每次都只创建一个，避免重复创建。

缺点：只在单线程的情况下正常运行，在多线程的情况下，就会出问题。例如：当两个线程同时运行到判断instance是否为空的 if 语句，并且instance确实没有创建好时，那么两个线程都会创建一个实例，此时类型Singleton1就不满足单例模式的要求了。

--------------------

## 解法2：虽然在多线程环境中能工作，但是效率不高 （不好） ##

在解法1的基础上加上了同步锁，使得在多线程的情况下可以用。

public class Singleton2 {
    	
    	private static Singleton2 instance = null;
    	
    	// 私有的构造函数
    	private Singleton2(){
    		
    	}
    	
    	// 同步方法
    	public static synchronized Singleton2 getInstance(){
    		if(instance == null){
    			instance = new Singleton2();
    		}
    		return instance;
    	}
    }

当两个线程同时想创建一个实例，由于在同一个时刻只有一个线程能得到同步锁，当第一个线程加上锁以后，第二个线程只能等待。当第一个线程发现实例还没有创建，则创建。接着第一个线程释放同步锁，第二个线程才可以加上同步锁，执行下面的代码。由于第一个线程已经创建了实例，所以第二个线程不需要创建实例。保证在多线程的环境下也只有一个实例。

缺点：每次通过 getInstance 方法得到 singleton 实例的时候都有一个试图去获取同步锁的过程。而众所周知，加锁是很耗时的，这也是这种方法效率低下的主要原因，在没有必要的时候要尽量避免。

--------------------

## 解法3：加同步锁前后两次判断实例是否存在  （可行） ##

我们只是在还没有创建之前需要加锁操作，以保证一个线程创建出实例。而当实例已经创建之后，我们就不需要再执行加锁操作了。

public class Singleton3 {
    
    	private static Singleton3 instance = null;
    	
    	// 私有的构造函数
    	private Singleton3(){
    		
    	}
    	
    	// 两次 if 判断
    	public static Singleton3 getInstance(){
    		
    		if(instance == null){
    			// 若instance为null，说明它还未创建，则进行加锁操作
    			synchronized (Singleton3.class) {
    				if(instance == null){
    					instance = new Singleton3();
    				}
    			}
    		}
    		return instance;
    	}
    }

Singleton3 中只有当 instance 为 null 即没有创建时，需要进行加锁操作。当 instance 已经创建出来之后，则无需再进行加锁。因为只在第一次的时候 instance 为 null，因此只在第一次试图创建实例的时候需要加锁。这样，Singleton3 的时间效率比 Singleton2 要好的多。

Singleton3 用加锁机制来确保在多线程环境下创建一个实例，并且用两个 if 判断来提高效率。这样的代码实现起来比较复杂，容易出错，下面看两种比较优秀的解法。

--------------------

## 解法4：利用类静态变量初始化一个实例  （推荐使用） ##

其实就是饿汉式，在初始化静态变量 instance 的时候创建一个实例。

public class Singleton4(){
        
        private static Singleton4 singleton = new Singleton4();   // 只是声明一个singleton对象，并没有创建
    
        private Singleton4(){
        
        }
    
        public static synchronized Singleton4 getInstance(){
            
            return singleton;   // 直接返回创建好的singleton对象
        }
    }

初试化静态的 instance 创建一次。如果我们在Singleton4类里面写一个静态的方法不需要创建实例，它仍然会早早的创建一次实例。而降低内存的使用率。

缺点：没有懒加载的效果，从而降低内存的使用率。

--------------------

## 解法5：静态内部类实现按需创建实例 （推荐使用） ##

public class Singleton5 {
    
    	// 私有的构造函数
    	private Singleton5(){
    		
    	}
    	
    	// 私有的内部类
    	private static class SingletonHolder{
    		private final static Singleton5 instance = new Singleton5();
    	}
    	
    	public static Singleton5 getInstance(){
    		return SingletonHolder.instance;  // 返回SingletonHolder中创建的实例
    	}
    }

注解：定义一个私有的内部类，在第一次用这个内部类时，会创建一个Singleton5实例。而类型为SingletonHolder的类，只有在Singleton5.getInstance()中调用，由于私有的属性，他人无法使用SingletonHolder，所以即便调用Singleton.getInstance()也不会创建实例。

优点：达到了懒加载的效果，即按需创建实例。

--------------------

## 总结： ##

第1种方法：多线程环境下不能工作；

第2种方法：虽然能够在多线程环境下工作，但是加锁耗时，效率不高；

第3种方法：通过两次 if 判断实现只有 instance为 null 时才加锁，实现多线程下高效的工作，但是代码逻辑相对复杂点；

第4种方法：通过直接创建出一个实例给类的静态变量，即”饿汉式“；

第5种方法：通过私有的内部类方法完成按需创建。

面试中推荐后第4种或者第5种解法。