浅谈设计模式之单例模式

素颜马尾好姑娘i 2022-05-22 08:12 235阅读 0赞

**单例模式**（Singleton Pattern）是 Java 中常用的设计模式之一。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。

**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。

**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。

## 单例模式的几种实现方式 ##

### 1、懒汉式，线程不安全 ###

**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，所以本文着重介绍下线程安全的几种实现方式。

**接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是区别在于性能上有所差异化。**

### 2、懒汉式（线程安全） ###

**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，效率非常低。  
**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。

**代码实例：**

package single;
    
    /** * 单例模式-懒汉式（线程安全） * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
    public class SingletonLazy {
    
        private static SingletonLazy instance;
    
        private SingletonLazy (){}
    
        /** * 获取唯一可用的对象 * * 是否 Lazy 初始化：是 * * 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）。 * */
        public static synchronized SingletonLazy getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new SingletonLazy();
            }
            return instance;
        }
    
        public void showMessage(){
            System.out.println("showMessage：Hello Lazy");
        }
    }

### 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。

**代码实例：**

package single;
    
    /** * 单例模式-饿汉式（线程安全） * * 注意事项： * 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。 * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
    public class SingletonHungry {
    
        //私有化一个静态的SingleObject对象
        private static SingletonHungry instance = new SingletonHungry();
    
        //私有化SingleObject构造函数,该类则不会被实例化
        private SingletonHungry(){}
    
        /** * 获取唯一可用的对象 * * 是否 Lazy 初始化：否 * * 它基于 classloder 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。 * */
        public static SingletonHungry getInstance(){
            return instance;
        }
    
        public void showMessage(){
            System.out.println("showMessage：Hello Hungry");
        }
    }

### 4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking） ###

**描述：**这种方式采用双重锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。

**代码实例：**

package single;
    
    /** * 单例模式-双检锁/双重校验锁 * （DCL，即 double-checked locking） * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
    public class SingletonDCL {
    
        private volatile static SingletonDCL instance;
    
        private SingletonDCL (){}
    
        /** * 获取唯一可用的对象 * * 是否 Lazy 初始化：是 * 是否多线程安全：是 * * 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。 * */
        public static SingletonDCL getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (SingletonHungry.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new SingletonDCL();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    
        public void showMessage(){
            System.out.println("showMessage：Hello DCL");
        }
    }

### 5、登记式/静态内部类 ###

**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。

**代码实例：**

package single;
    
    /** * 单例模式-登记式/静态内部类（线程安全） * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
    public class SingletonRegister {
    
        private static class SingletonHolder {
            private static final SingletonRegister instance = new SingletonRegister();
        }
    
        private SingletonRegister (){}
    
        /** * 获取唯一可用的对象 * * 是否 Lazy 初始化：是 * * 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 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程， * 它跟 饿汉式 不同的是：饿汉式 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 饿汉式 就显得很合理。 * */
        public static final SingletonRegister getInstance() {
            return SingletonHolder.instance;
        }
    
        public void showMessage(){
            System.out.println("showMessage：Hello Register");
        }
    }

### 6、枚举 ###

**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。

**代码实例：**

package single;
    
    /** * 单例模式-枚举式（线程安全） * * 是否 Lazy 初始化：否 * 是否多线程安全：是 * * 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。 * 不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。 * * @author lihaoshan * @date 2018-06-15 * */
    public enum SingletonEnum {
    
        INSTANCE;
    
        public void whateverMethod() {
        }
    
        public void showMessage(){
            System.out.println("showMessage：Hello ENUM");
        }
    }

### 使用建议 ###

*  一般情况下，不建议使用 懒汉方式，建议使用 饿汉方式。
 *  只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用 登记方式。
 *  如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用 枚举方式。
 *  如果有其他特殊的需求，可以考虑使用 双检锁方式。

### 源码地址 ###

**码云：[https://gitee.com/haoshan/design\_pattern][https_gitee.com_haoshan_design_pattern]**

**原文：https://my.oschina.net/lihaoshan/blog/1831184**

[https_gitee.com_haoshan_design_pattern]: https://gitee.com/haoshan/design_pattern