23种设计模式(1)-单例模式

你的名字 2022-06-13 00:42 171阅读 0赞

**单例模式**  
    一、特点：  
    二．分类  
(一)、懒汉式单例  
(二)、双重检查锁定  
(三)、静态(类级)内部类  
(四)、饿汉式单例  
(五)、单例和枚举  
    三、饿汉式和懒汉式区别

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**一、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。  
　 　单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

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**二．分类  
(一)、懒汉式单例**

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己 
    public class Singleton {
        // 构造方法私有化
        private Singleton() {
        }
        private static Singleton single = null;
        // 静态工厂方法
        public static Singleton getInstance() {
            if (single == null) {
                single = new Singleton();
            }
            return single;
        }
    }

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。  
（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。）  
但 是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，有以下三种方式，都 是对getInstance这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全，如果你第一次接触单例模式，对线程安全不是很了解，可以先跳过下面这三小条，去看 饿汉式单例，等看完后面再回头考虑线程安全的问题：

1、在getInstance方法上加同步

public static synchronized  Singleton getInstance() {
            if (single == null) {
                single = new Singleton();
            }
            return single;
    }

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**(二)、双重检查锁定**  
可以使用“双重检查加锁”的方式来实现，就可以既实现线程安全，又能够使性能不受很大的影响。那么什么是“双重检查加锁”机制呢？  
　　所谓“双重检查加锁”机制，指的是：并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法后，先检查实例是否存在，如 果不存在才进行下面的同步块，这是第一重检查，进入同步块过后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。这样 一来，就只需要同步一次了，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。  
“双重检查加锁”机制的实现会使用关键字volatile，它的意思是：被volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，所有对该变量的读写都是直接操作共享内存，从而确保多个线程能正确的处理该变量。  
　　注意：在java1.4及以前版本中，很多JVM对于volatile关键字的实现的问题，会导致“双重检查加锁”的失败，因此“双重检查加锁”机制只只能用在java5及以上的版本。

public class Singleton {
        private volatile static Singleton instance = null;
        private Singleton(){}
        public static Singleton getInstance(){
            //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
            if(instance == null){
                //同步块，线程安全的创建实例
                synchronized (Singleton.class) {
                    //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                    if(instance == null){
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

这种实现方式既可以实现线程安全地创建实例，而又不会对性能造成太大的影响。它只是第一次创建实例的时候同步，以后就不需要同步了，从而加快了运行速度。  
　　(摘自网络)提示：由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高。因此一般建议，没有特别的需要，不要使用。也就是说，虽然可以使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例，但并不建议大量采用，可以根据情况来选用。

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**(三)、静态(类级)内部类**

public class Singleton { 
    
        private Singleton(){}
        /** * 类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例 * 没有绑定关系，而且只有被调用到时才会装载，从而实现了延迟加载。 */
        private static class SingletonHolder{ 
            /** * 静态初始化器，由JVM来保证线程安全 */
            private static Singleton instance = new Singleton();
        }
    
        public static Singleton getInstance(){
            return SingletonHolder.instance;
        }
    }

这种比上面1、2都好一些，既实现了线程安全，又避免了同步带来的性能影响。　当getInstance方法第一次被调用的时候，它第一次读取 SingletonHolder.instance，导致SingletonHolder类得到初始化；而这个类在装载并被初始化的时候，会初始化它的静 态域，从而创建Singleton的实例，由于是静态的域，因此只会在虚拟机装载类的时候初始化一次，并由虚拟机来保证它的线程安全性。  
　　这个模式的优势在于，getInstance方法并没有被同步，并且只是执行一个域的访问，因此延迟初始化并没有增加任何访问成本。

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**(四)、饿汉式单例**

//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化 
    public class EagerSingleton { 
            private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
            /** * 构造方法私有化 */
            private EagerSingleton(){}
            /** * 静态工厂方法 */
            public static EagerSingleton getInstance(){
                return instance;
            }
    }

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

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**(五)、单例和枚举**  
用枚举来实现单例非常简单，只需要编写一个包含单个元素的枚举类型即可。

public enum Singleton {
        /** * 定义一个枚举的元素，它就代表了Singleton的一个实例。 */
    
        uniqueInstance;
    
        /** * 单例可以有自己的操作 */
        public void singletonOperation(){
            //功能处理
        }
    }

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相关测试代码：

public enum SingletonEnum {
        INSTANCE01, INSTANCE02;// 定义枚举的两个类型
        private String name;
    
        public String getName() {
            return name;
        }
    
        public void setName(String name){
            this.name = name;
        }
    }
    
    
    public class Test {
    
        public static void main(String[] args) {
                SingletonEnum instance01=SingletonEnum.INSTANCE01;
                instance01.setName("tanggao");
                System.out.println(instance01.getName());
    
                SingletonEnum instance02=SingletonEnum.INSTANCE01;
                System.out.println(instance02.getName());
    
                SingletonEnum instance03=SingletonEnum.INSTANCE02;
                instance03.setName("zsy");
                System.out.println(instance03.getName());
    
                SingletonEnum instance04=SingletonEnum.INSTANCE02;
                instance04.setName("zsy1");
                System.out.println(instance04.getName());
                System.out.println(instance03.hashCode()+"\t"+instance04.hashCode());
                System.out.println(instance03==instance04);
    
        }
    }

结果:  
tanggao  
tanggao  
zsy  
zsy1  
3346521 3346521  
true

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

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**三、饿汉式和懒汉式区别**  
从名字上来说，饿汉和懒汉，  
饿汉就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了，  
而懒汉比较懒，只有当调用getInstance的时候，才回去初始化这个单例。  
另外从以下两点再区分以下这两种方式：

1、线程安全：  
饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，  
懒汉式本身是非线程安全的，为了实现线程安全有几种写法，分别是上面的1、2、3，这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。

2、资源加载和性能：  
饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成，  
而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。  
至于1、2、3这三种实现又有些区别，  
第1种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟99%的情况下是不需要同步的，  
第2种，在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗  
第3种，保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，一般倾向于使用这一种。

3、什么是线程安全？  
如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。  
或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作，或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题，那就是线程安全的。