第 5 章单例设计模式

系统管理员 2022-12-07 15:11 92阅读 0赞

# 第 5 章 单例设计模式 #

## 1、单例设计模式介绍 ##

1.  所谓类的单例设计模式， 就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中， 对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。
2.  比如 `Hibernate` 的 `SessionFactory`， 它充当数据存储源的代理， 并负责创建 `Session` 对象。`SessionFactory` 并不是轻量级的， 一般情况下， 一个项目通常只需要一个 `SessionFactory` 就够，这是就会使用到单例模式。

## 2、单例设计模式八种方式 ##

单例模式有八种方式：

1.  **饿汉式(静态常量)**
2.  **饿汉式(静态代码块)**
3.  懒汉式(线程不安全)
4.  懒汉式(线程安全， 同步方法)
5.  懒汉式(线程安全， 同步代码块)
6.  **双重检查**
7.  **静态内部类**
8.  **枚举**

## 3、饿汉式（静态常量） ##

> **饿汉式（静态常量）的具体实现步骤**

1.  构造器私有化 (防止 `new`)
2.  类的内部创建对象
3.  向外暴露一个静态的公共方法： `getInstance()`

> **饿汉式（静态常量）的代码实现**

1.  代码实现
    
        public class SingletonTest01 {
              
        
        	public static void main(String[] args) {
              
        		// 测试
        		Singleton instance = Singleton.getInstance();
        		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        		System.out.println(instance == instance2); // true
        		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
        	}
        
        }
        
        //饿汉式(静态变量)
        class Singleton {
              
        
        	// 1. 构造器私有化, 外部不能new
        	private Singleton() {
              
        
        	}
        
        	// 2.本类内部创建对象实例
        	private final static Singleton instance = new Singleton();
        
        	// 3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
        	public static Singleton getInstance() {
              
        		return instance;
        	}
        
        }
2.  程序运行结果
    
        true
        instance.hashCode=366712642
        instance2.hashCode=366712642

> **饿汉式（静态常量）的优缺点说明**

1.  优点： 这种写法比较简单， 就是在类装载的时候就完成实例化。 避免了线程同步问题。
2.  缺点： 在类装载的时候就完成实例化， 没有达到 `Lazy Loading` 的效果。 如果从始至终从未使用过这个实例， 则会造成内存的浪费
3.  这种方式基于 `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， 在单例模式中大多数都是调用 `getInstance()` 方法获取单例对象， 但是导致类装载的原因有很多种， 因此不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法） 导致类装载， 这时候初始化单例对象，就没有达到 `lazy loading` 的效果
4.  结论： 这种单例模式可用， 可能造成内存浪费

## 4、饿汉式（静态代码块） ##

> **饿汉式（静态代码块）的具体实现步骤**

1.  构造器私有化，外部不能 `new`
2.  在本类内部的静态代码块中，创建单例对象
3.  提供一个公有的静态方法，返回实例对象

> **饿汉式（静态代码块）的代码实现**

1.  代码实现
    
        public class SingletonTest02 {
              
        
        	public static void main(String[] args) {
              
        		// 测试
        		Singleton instance = Singleton.getInstance();
        		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        		System.out.println(instance == instance2); // true
        		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
        	}
        
        }
        
        //饿汉式(静态变量)
        class Singleton {
              
        
        	// 1. 构造器私有化, 外部不能new
        	private Singleton() {
              
        
        	}
        
        	// 2.本类内部创建对象实例
        	private static Singleton instance;
        
        	static {
               // 在静态代码块中，创建单例对象
        		instance = new Singleton();
        	}
        
        	// 3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
        	public static Singleton getInstance() {
              
        		return instance;
        	}
        
        }
2.  程序运行结果
    
        true
        instance.hashCode=366712642
        instance2.hashCode=366712642

> **饿汉式（静态代码块）的优缺点说明**

1.  这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
2.  结论： 这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

## 5、懒汉式（线程不安全） ##

> **懒汉式（线程不安全）的具体实现步骤**

1.  构造器私有化，外部不能 `new`
2.  在本类内部的 `getInstance()` 静态方法中，判断单例对象是否为空
    
    1.  如果为空，则创建单例对象并返回
    2.  如果不为空，则直接返回此对象

> **懒汉式（线程不安全）的代码实现**

1.  代码实现
    
        public class SingletonTest03 {
              
        
        	public static void main(String[] args) {
              
        		System.out.println("懒汉式1 ， 线程不安全~");
        		Singleton instance = Singleton.getInstance();
        		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        		System.out.println(instance == instance2); // true
        		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
        	}
        
        }
        
        class Singleton {
              
        	private static Singleton instance;
        
        	private Singleton() {
              
        	}
        
        	// 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建 instance
        	// 即懒汉式
        	public static Singleton getInstance() {
              
        		if (instance == null) {
              
        			instance = new Singleton();
        		}
        		return instance;
        	}
        }
2.  程序运行结果
    
        懒汉式1 ， 线程不安全~
        true
        instance.hashCode=366712642
        instance2.hashCode=366712642

> **懒汉式（线程不安全）的优缺点说明**

1.  起到了 `Lazy Loading` 的效果， 但是只能在单线程下使用。
2.  如果在多线程下， 一个线程进入了 `if (singleton == null)` 判断语句块， 还未来得及往下执行， 另一个线程也通过了这个判断语句， 这时便会产生多个实例。 所以在多线程环境下不可使用这种方式
3.  结论： 在实际开发中， 不要使用这种方式

## 6、懒汉式（同步方法） ##

> **懒汉式（同步方法）的具体实现步骤**

1.  构造器私有化，外部不能 `new`
2.  在本类内部的 `getInstance()` 静态同步方法中，判断单例对象是否为空
    
    1.  如果为空，则创建单例对象并返回
    2.  如果不为空，则直接返回此对象

> **懒汉式（同步方法）的代码实现**

1.  代码实现
    
        public class SingletonTest04 {
              
        
        	public static void main(String[] args) {
              
        		System.out.println("懒汉式2 ， 线程安全~");
        		Singleton instance = Singleton.getInstance();
        		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        		System.out.println(instance == instance2); // true
        		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
        	}
        
        }
        
        // 懒汉式(线程安全，同步方法)
        class Singleton {
              
        	private static Singleton instance;
        
        	private Singleton() {
              
        	}
        
        	// 提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
        	// 即懒汉式
        	public static synchronized Singleton getInstance() {
              
        		if (instance == null) {
              
        			instance = new Singleton();
        		}
        		return instance;
        	}
        }
2.  程序运行结果
    
        懒汉式2 ， 线程安全~
        true
        instance.hashCode=366712642
        instance2.hashCode=366712642

> **懒汉式（同步方法）的优缺点说明**

1.  解决了线程安全问题
2.  效率太低了， 每个线程在想获得类的实例时候， 执行 `getInstance()` 方法都要进行同步。 而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了， 后面的想获得该类实例， 直接 `return` 就行了。 方法进行同步效率太低
3.  结论： 在实际开发中， 不推荐使用这种方式

## 7、懒汉式（同步代码块） ##

> **懒汉式（同步代码块）的具体实现步骤**

1.  构造器私有化，外部不能 `new`
2.  在本类内部的 `getInstance()` 静态方法中，先判断对象是否为空
    
    1.  如果为空，则加锁创建单例对象，并返回
    2.  如果不为空，则直接返回此对象

> **懒汉式（同步代码块）的代码实现**

代码实现

class Singleton{
        
        private static Singleton singleton; 
        private Singleton(){
               
        }
        
        public static singleton getInstance(){
        
            if(singleton==null){
        
                synchronized(Singleton. class){
        
                    singleton=new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }

> **懒汉式（同步代码块）的优缺点说明**

1.  这种方式，本意是想对第四种实现方式的改进，因为前面同步方法效率太低，改为同步产生实例化的的代码块
2.  但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第`3`种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了 `if (singleton == null)` 判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例
3.  结论：在实际开发中， 不能使用这种方式

## 8、懒汉式（双重检查） ##

> **懒汉式（双重检查）的具体实现步骤**

1.  构造器私有化，外部不能 `new`
2.  在本类内部的 `getInstance()` 静态方法中，先判断对象是否为空
    
    1.  如果为空，则先加锁，再判断此单例对象是否为空，如果还为空，才创建对象
    2.  如果不为空，则直接返回此对象
3.  注意：单例变量需要使用 `volatile` 关键字进行修饰，保证内存可见性，以及防止指令重排序

> **懒汉式（双重检查）的代码实现**

1.  代码实现
    
        public class SingletonTest06 {
              
        
        	public static void main(String[] args) {
              
        		System.out.println("双重检查");
        		Singleton instance = Singleton.getInstance();
        		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        		System.out.println(instance == instance2); // true
        		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
        	}
        
        }
        
        // 懒汉式(线程安全，同步方法)
        class Singleton {
              
        	private static volatile Singleton instance;
        
        	private Singleton() {
              
        	}
        
        	// 提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
        	// 同时保证了效率, 推荐使用
        	public static synchronized Singleton getInstance() {
              
        		if (instance == null) {
              
        			synchronized (Singleton.class) {
              
        				if (instance == null) {
              
        					instance = new Singleton();
        				}
        			}
        
        		}
        		return instance;
        	}
        }
2.  程序运行结果
    
        双重检查
        true
        instance.hashCode=366712642
        instance2.hashCode=366712642

> **懒汉式（双重检查）的优缺点说明**

1.  `Double-Check` 概念是多线程开发中常使用到的， 如代码中所示， 我们进行了两次 `if (singleton == null)` 检查， 这样就可以保证线程安全了
2.  这样， 实例化代码只用执行一次， 后面再次访问时， 判断 `if (singleton == null)`， 直接 `return` 实例化对象， 也避免的反复进行方法同步
3.  线程安全； 延迟加载； 效率较高
4.  结论： 在实际开发中， 推荐使用这种单例设计模式

## 9、懒汉式（静态内部类） ##

> **懒汉式（静态内部类）的具体实现步骤**

1.  构造器私有化，外部不能 `new`
2.  在本类内部新增一个静态内部类，封装一个单例对象，用于实现单例模式
3.  静态内部类的实现方式本质是利用类加载的同步机制，保证单例对象的线程安全，并且该方式能保证该单例对象的懒加载机制，因为只有用到静态内部类时，才会加载该静态内部类以及单例对象
4.  在本类内部提供一个静态方法 `getInstance()` 用于返回静态内部类中的单例对象

> **懒汉式（静态内部类）的代码实现**

1.  代码实现
    
        public class SingletonTest07 {
              
        
        	public static void main(String[] args) {
              
        		System.out.println("使用静态内部类完成单例模式");
        		Singleton instance = Singleton.getInstance();
        		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        		System.out.println(instance == instance2); // true
        		System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        		System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
        	}
        
        }
        
        // 静态内部类完成， 推荐使用
        class Singleton {
              	
        	//构造器私有化
        	private Singleton() {
              }
        	
        	//写一个静态内部类,该类中有一个静态属性 Singleton
        	private static class SingletonInstance {
              
        		private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
        	}
        	
        	//提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE
        	public static Singleton getInstance() {
              
        		return SingletonInstance.INSTANCE;
        	}
        }
2.  程序运行结果
    
        使用静态内部类完成单例模式
        true
        instance.hashCode=366712642
        instance2.hashCode=366712642

> **懒汉式（静态内部类）的优缺点说明**

1.  这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
2.  静态内部类方式在`Singleton`类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用`getInstance()`方法，才会装载`SingletonInstance`类，从而完成`Singleton`的实例化。
3.  类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里， `JVM`帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
4.  优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高。
5.  结论：推荐使用。

## 10、饿汉式（枚举） ##

> **饿汉式（枚举）的具体实现步骤**

通过枚举类实现单例模式

> **饿汉式（枚举）的代码实现**

1.  代码实现
    
        public class SingletonTest08 {
              
        	public static void main(String[] args) {
              
        		Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        		Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
        		System.out.println(instance == instance2);
        
        		System.out.println(instance.hashCode());
        		System.out.println(instance2.hashCode());
        
        		instance.sayOK();
        	}
        }
        
        //使用枚举，可以实现单例, 推荐
        enum Singleton {
              
        	INSTANCE; // 属性
        
        	public void sayOK() {
              
        		System.out.println("ok~");
        	}
        }
2.  程序运行结果
    
        true
        366712642
        366712642
        ok~

> **饿汉式（枚举）的优缺点说明**

1.  这借助`JDK1.5`中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。
2.  这种方式是`Effective Java`作者`Josh Bloch`提倡的方式。如果用枚举去实现一个单例，属于饿汉模式。
3.  结论：推荐使用

## 11、Rumtime 单例模式 ##

> **Runtime 源码**

这是典型的饿汉式啊

public class Runtime {
        
        private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
    
        /**
         * Returns the runtime object associated with the current Java application.
         * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
         * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
         *
         * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
         *          Java application.
         */
        public static Runtime getRuntime() {
        
            return currentRuntime;
        }
    
        /** Don't let anyone else instantiate this class */
        private Runtime() {
        }

## 12、单例模式注意事项 ##

1.  单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能
2.  当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用 `new`
3.  单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即： 重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、 `session` 工厂等)