java设计模式之单例模式详解

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-05-23 06:15 168阅读 0赞

Java中单例(Singleton)模式是一种广泛使用的设计模式。单例模式的主要作用是保证在Java程序中，某个类只有一个实例存在。一些管理器和控制器常被设计成单例模式。

单例模式有以下特点：

（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。

单例模式有很多好处，它能够避免实例对象的重复创建，不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。如果一个对象有可能贯穿整个应用程序，而且起到了全局统一管理控制的作用，那么单例模式也许是一个值得考虑的选择。

## 1.饿汉模式 ##

/** 
     * 方法一
     * 单例模式的实现：饿汉式,线程安全 但效率比较低 
     */  
    public class SingletonTest {  
    
        // 定义一个私有的构造方法
        private SingletonTest() {  
        }  
    
        // 将自身的实例对象设置为一个属性,并加上Static和final修饰符
        private static final SingletonTest instance = new SingletonTest();  
    
        // 静态方法返回该类的实例
        public static SingletonTest getInstancei() {  
            return instance;  
        }  
      
    }

优点是：写起来比较简单，而且不存在多线程同步问题，避免了synchronized所造成的性能问题；  
缺点是：当类SingletonTest被加载的时候，会初始化static的instance，静态变量被创建并分配内存空间，从这以后，这个static的instance对象便一直占着这段内存（即便你还没有用到这个实例），当类被卸载时，静态变量被摧毁，并释放所占有的内存，因此在某些特定条件下会耗费内存。

## 2.懒汉模式 ##

/**  
     *方法二
     * 单例模式的实现：懒汉式,非线程安全   
     *   
     */  
    public class SingletonTest {
    
        // 定义私有构造方法（防止通过 new SingletonTest()去实例化）
        private SingletonTest() {   
        }   
    
        // 定义一个SingletonTest类型的变量（不初始化，注意这里没有使用final关键字）
        private static SingletonTest instance;   
    
        // 定义一个静态的方法（调用时再初始化SingletonTest，但是多线程访问时，可能造成重复初始化问题）
        public static SingletonTest getInstance() {   
            if (instance == null)   
                instance = new SingletonTest();   
            return instance;   
        }   
    }

优点是：写起来比较简单，当类SingletonTest被加载的时候，静态变量static的instance未被创建并分配内存空间，当getInstance方法第一次被调用时，初始化instance变量，并分配内存，因此在某些特定条件下会节约了内存；

缺点是：并发环境下很可能出现多个SingletonTest实例。

## 3. 线程安全的懒汉模式 ##

/**  
     *方法三
     * 单例模式的实现：饱汉式,线程安全简单实现   
     *   
     */  
    public class SingletonTest {
    
        // 定义私有构造方法（防止通过 new SingletonTest()去实例化）
        private SingletonTest() {   
        }   
    
        // 定义一个SingletonTest类型的变量（不初始化，注意这里没有使用final关键字）
        private static SingletonTest instance;   
    
        // 定义一个静态的方法（调用时再初始化SingletonTest，使用synchronized 避免多线程访问时，可能造成重的复初始化问题）
        public static synchronized  SingletonTest getInstance() {   
            if (instance == null)   
                instance = new SingletonTest();   
            return instance;   
        }   
    }

优点是：使用synchronized关键字避免多线程访问时，出现多个SingletonTest实例。

缺点是：同步方法频繁调用时，效率略低。

## 4.双重校验锁 ##

/**  
     * 方法四
     * 双重校验锁
     * 线程安全  并且效率高  
     *  
     */  
    public class SingletonTest { 
    
        // 定义一个私有构造方法
        private SingletonTest() { 
         
        }   
        //定义一个静态私有变量
        private static SingletonTest instance;  
    
        //定义一个共有的静态方法，返回该类型实例
        public static SingletonTest getIstance() { 
            // 对象实例化时与否判断（不使用同步代码块，instance不等于null时，直接返回对象，提高运行效率）
            if (instance == null) {
                //同步代码块（对象未初始化时，使用同步代码块，保证多线程访问时对象在第一次创建后，不再重复被创建）
                synchronized (SingletonTest.class) {
                    //未初始化，则初始instance变量
                    if (instance == null) {
                        instance = new SingletonTest();   
                    }   
                }   
            }   
            return instance;   
        }   
    }

我们看到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，视乎已经完美了，但是Java中的指令重排优化的存在可能导致双重校验锁失效的风险。所谓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。

这个问题的关键就在于由于指令重排优化的存在，导致初始化Singleton和将对象地址赋给instance字段的顺序是不确定的。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instance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。不过还好在JDK1.5及之后版本增加了volatile关键字。volatile的一个语义是禁止指令重排序优化，也就保证了instance变量被赋值的时候对象已经是初始化过的，从而避免了上面说到的问题。

优化代码：

/**  
     * 单例模式最优方案
     * 线程安全  并且效率高  
     *  
     */  
    public class SingletonTest { 
    
        // 定义一个私有构造方法
        private SingletonTest() { 
         
        }   
        //定义一个静态私有变量(不初始化，不使用final关键字，使用volatile保证了多线程访问时instance变量的可见性，避免了instance初始化时其他变量属性还没赋值完时，被另外线程调用)
        private static volatile SingletonTest instance;  
    
        //定义一个共有的静态方法，返回该类型实例
        public static SingletonTest getIstance() { 
            // 对象实例化时与否判断（不使用同步代码块，instance不等于null时，直接返回对象，提高运行效率）
            if (instance == null) {
                //同步代码块（对象未初始化时，使用同步代码块，保证多线程访问时对象在第一次创建后，不再重复被创建）
                synchronized (SingletonTest.class) {
                    //未初始化，则初始instance变量
                    if (instance == null) {
                        instance = new SingletonTest();   
                    }   
                }   
            }   
            return instance;   
        }   
    }

## 5.枚举单例 ##

Java规范中规定，每一个枚举类型极其定义的枚举变量在JVM中都是唯一的，因此在枚举类型的序列化和反序列化上，Java做了特殊的规定，使得枚举天生保证序列化单例。

class Resource{
    }
    
    public enum SomeThing {
        INSTANCE;
        private Resource instance;
        SomeThing() {
            instance = new Resource();
        }
        public Resource getInstance() {
            return instance;
        }
    }