java——单例模式

谁践踏了优雅 2022-05-18 01:19 264阅读 0赞

单例模式，是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中，应用该模式的类一个类只有一个实例。即一个类只有一个对象实例。

单例模式是设计模式中最简单的形式之一。这一模式的目的是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。要实现这一点，可以从客户端对其进行实例化开始。因此需要用一种只允许生成对象类的唯一实例的机制，“阻止”所有想要生成对象的访问。使用工厂方法来限制实例化过程。这个方法应该是静态方法（类方法），因为让类的实例去生成另一个唯一实例毫无意义。

Static uniqueInstance是singleton的唯一实例, static sharedInstance将把它返回客户端。通常，sharedInstance会检查uniqueInstance是否已经被实例化。如果没有，它会生成一个实例然后返回uniqueInstance。

单例模式的要点有三个；一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

从具体实现角度来说，就是以下三点：一是单例模式的类只提供私有的构造函数，二是类定义中含有一个该类的静态私有对象，三是该类提供了一个静态的公有的函数用于创建或获取它本身的静态私有对象。

在下面的对象图中，有一个"单例对象"，而"客户甲"、"客户乙" 和"客户丙"是单例对象的三个客户对象。可以看到，所有的客户对象共享一个单例对象。而且从单例对象到自身的连接线可以看出，单例对象持有对自己的引用。

一些[资源管理器][Link 1]常常设计成单例模式。

### 优点 ###

**一、实例控制**

单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。

**二、灵活性**

因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。

### 缺点 ###

**一、开销**

虽然数量很少，但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。

**二、可能的开发混淆**

使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用**new**关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。

**三、对象生存期**

不能解决删除单个对象的问题。在提供内存管理的语言中（例如基于.NET Framework的语言），只有单例类能够导致实例被取消分配，因为它包含对该实例的私有引用。在某些语言中（如 C++），其他类可以删除对象实例，但这样会导致单例类中出现悬浮引用。。

## 实例 ##

当一个类的实例可以有且只可以一个的时候就需要用到了。为什么只需要有一个呢？有人说是为了节约内存，但这只是单例模式带来的一个好处。只有一个实例确实减少内存占用，可是我认为这不是使用**单例模式**的理由。我认为使用**单例模式**的时机是当实例存在多个会引起程序逻辑错误的时候。比如类似有序的号码生成器这样的东西，怎么可以允许一个应用上存在多个呢？

Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在。

一般Singleton模式通常有三种形式:

第一种形式:懒汉式，也是常用的形式。

/**
         * 懒汉模式:单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建，
         * 再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。
         * 适用于某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多的情况
         * 
         * 缺点：没有考虑线程安全问题，多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法，
         * 导致创建多个实例，因此需要加锁解决线程同步问题
         */

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 </td> 
 <td> <code>public</code>&nbsp;<code>class</code>&nbsp;<code>SingletonClass{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>SingletonClass&nbsp;instance=</code><code>null</code><code>;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>static</code><code>　</code><code>synchronized</code><code>　SingletonClass&nbsp;getInstance(){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>if</code><code>(instance==</code><code>null</code><code>){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; </code><code>instance=</code><code>new</code>&nbsp;<code>SingletonClass();</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>instance;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>SingletonClass(){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>}</code> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

第二种形式:饿汉式

/**
         * 饿汉模式:在类加载的时候就对实例进行创建，实例在整个程序周期都存在。
         * 好处是只在类加载的时候创建一次实例，不会存在多个线程创建多个实例的情况，避免了多线程同步的问题
         * 缺点是即使这个单例没有用到也会被创建，而且在类加载之后就被创建，内存就被浪费了
         * 无法做到延迟创建对象。但是我们很多时候都希望对象可以尽可能地延迟加载，从而减小负载
         */

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 </td> 
 <td> <code>//对第一行static的一些解释</code> <code>//&nbsp;java允许我们在一个类里面定义静态类。比如内部类（nested&nbsp;class）。</code> <code>//把nested&nbsp;class封闭起来的类叫外部类。</code> <code>//在java中，我们不能用static修饰顶级类（top&nbsp;level&nbsp;class）。</code> <code>//只有内部类可以为static。</code> <code>public</code>&nbsp;<code>class</code>&nbsp;<code>Singleton{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//在自己内部定义自己的一个实例，只供内部调用</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>final&nbsp;Singleton&nbsp;instance&nbsp;=&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>Singleton();</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>Singleton(){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//do&nbsp;something</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//这里提供了一个供外部访问本class的静态方法，可以直接访问</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>Singleton&nbsp;getInstance(){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>instance;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

/**
         * 懒汉线程安全模式:
         * 加锁的懒汉模式看起来既解决了线程并发问题，又实现了延迟加载
         * 
         * 缺点：存在性能问题，synchronized修饰的同步方法比一般方法要慢很多，
         * 如果多次调用getInstance()，每次都必须在synchronized这里进行排队，累积的性能损耗比较大
         */
        private static Singleton single = null;
        private Singleton() {
    
        }
        public static synchronized Singleton getInstance() {
            if(single == null) {
                single = new Singleton();
            }
            return single;
        }

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

/**
         * 线程安全优化模式:在同步代码块外多了一层instance为空的判断。
         * 由于单例对象只需要创建一次，如果后面再次调用getInstance()只需要直接返回单例对象,
         * 因此，大部分情况下，调用getInstance()都不会执行到同步代码块，从而提高了程序性能
         * 
         * 
         * 缺点：假如两个线程A、B，A执行了if (instance == null)语句，它会认为单例对象没有创建，
         * 此时线程切到B也执行了同样的语句，B也认为单例对象没有创建，然后两个线程会依次执行同步代码块，
         * 并分别创建一个单例对象。
         */
        private static Singleton single = null;
        private Singleton() {
    
        }
        public static synchronized Singleton getInstance() {
            if(single == null) {
                synchronized (Singleton.class) {
                    single = new Singleton();
                }
    
            }
            return single;
        }

第三种形式: 双重锁的形式。

/**
         * 在getInstance()方法中，进行两次null检查。看似多此一举，但实际上却极大提升了并发度，
         * 进而提升了性能，双重校验锁即实现了延迟加载，又解决了线程并发问题，
         * 同时还解决了执行效率问题
         * 
         * 缺点：Java中的指令重排优化，是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快。
         * JVM中并没有规定编译器优化相关的内容，也就是说JVM可以自由的进行指令重排序的优化。
         * 因此在实际执行的时候可能与我们编写的顺序不同，编译器只保证程序执行结果与源代码相同，
         * 却不保证实际指令的顺序与源代码相同。
         * 单线程看起来没什么问题，然而一旦引入多线程，这种乱序就可能导致严重问题。
         * 在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。
         * 此时就可以将分配的内存地址赋值给single字段了，然而该对象可能还没有初始化，
         * 若紧接着另外一个线程来调用getInstance()，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。
         */

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 </td> 
 <td> <code>public</code>&nbsp;<code>class</code>&nbsp;<code>Singleton{ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>volatile</code>&nbsp;<code>Singleton&nbsp;instance=</code><code>null</code><code>;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>Singleton(){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//do&nbsp;something</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;&nbsp;<code>Singleton&nbsp;getInstance(){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>if</code><code>(instance==</code><code>null</code><code>){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>synchronized(Singleton.</code><code>class</code><code>){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>if</code><code>(instance==</code><code>null</code><code>){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>instance=</code><code>new</code>&nbsp;<code>Singleton();</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>instance;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>}</code> <code>//这个模式将同步内容下放到if内部，提高了执行的效率，不必每次获取对象时都进行同步，只有第一次才同步，创建了以后就没必要了。</code> <code>//这种模式中双重判断加同步的方式，比第一个例子中的效率大大提升，因为如果单层if判断，在服务器允许的情况下，</code> <code>//假设有一百个线程，耗费的时间为100*（同步判断时间+if判断时间），而如果双重if判断，100的线程可以同时if判断，理论消耗的时间只有一个if判断的时间。</code> <code>//所以如果面对高并发的情况，而且采用的是懒汉模式，最好的选择就是双重判断加同步的方式。</code> &nbsp; &nbsp; &nbsp; </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

/**
     * 枚举法实现单例模式
     * 举类很好的解决了这两个问题，使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外，
     * 还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象
     * 
     * enum是由class实现的，enum是通过继承了Enum类实现的，
     * enum结构不能够作为子类继承其他类，但是可以用来实现接口。
     * 此外，enum类也不能够被继承，在反编译中，我们会发现该类是final的。
     * enum有且仅有private的构造器，防止外部的额外构造，这恰好和单例模式吻合，
     * 也为保证单例性做了一个铺垫
     * 
     * Enum是Java提供给编译器的一个用于继承的类。
     * 枚举量的实现其实是public static final T 类型的未初始化变量，
     * 之后，会在静态代码中对枚举量进行初始化。
     * 所以，如果用枚举去实现一个单例，这样的加载时间其实有点类似于饿汉模式，
     * 并没有起到延迟加载（lazy-loading）的作用。
     * 
     * 对于序列化和反序列化，因为每一个枚举类型和枚举变量在JVM中都是唯一的，
     * 即Java在序列化和反序列化枚举时做了特殊的规定，
     * 枚举的writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法
     * 是被编译器禁用的，因此也不存在实现序列化接口后调用readObject会破坏单例的问题。
     * 
     * 对于线程安全方面，类似于普通的饿汉模式，通过在第一次调用时的静态初始化创建的对象是线程安全的。
     */
    public enum SingletonDemo {
    
        SINGLE;
    
        private String name;
    
        public String getName() {
            return this.name;
        }
    
        public void setName(String name) {
            this.name= name;
        }
    
        public void whateverMethod(){ }  
    }

[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E8%B5%84%E6%BA%90%E7%AE%A1%E7%90%86%E5%99%A8