01. 23种经典设计模式-11-单例模式

ゝ一纸荒年。 2024-04-17 14:49 37阅读 0赞

## 1. 单例模式 ##

单例模式(Singleton Pattern), 是23种设计模式中最简单的设计模式, 用途也相当广泛.

### 1.1 单例模式核心思想 ###

*  一个类只能拥有一个实例

### 1.2 单例模式类图 ###

*  构造方法必须私有, 保证外界不能自行创建实例
 *  单例对象为静态常量, 保证一个类只有一个实例

![单例模式类图][format_png]

### 1.3 单例模式优点与缺点 ###

*  优点: 节省内存, 保证全局唯一
 *  缺点：扩展困难, 违背单一职责原则. 因为一个类应该只实现一个逻辑，而不应该关心是否是单例的

### 1.4 单例模式适用场景 ###

*  全局配置类
 *  一个全局的对象，但是需要频繁创建和销毁
 *  工具类对象: 一个应用只需要一个即可
 *  重量级对象: 创建和销毁都比较耗时的对象, 如数据库资源对象

### 1.5 单例模式实现方式 ###

*  用java实现单例模式时，如果设计不当，则可能会产生多线程并发问题，内存或资源浪费，反序列化多个实例等问题。
    
     *  多线程并发问题: 懒加载模式, 多个线程同时获取实例，有可能会产生多个实例
     *  内存/资源浪费: 饿汉模式下, 如果整个应用未曾使用到单例对象，则单例对象一直在内存中存在一个实例，因此会对内存或资源进行占用
     *  反序列化多实例问题: 除了枚举模式外，如果单例的类实现了反序列化接口，则可以通过反序列化方式创建多个实例。因为反序列化方式不借助于构造器。具体细节可参见笔者的原型模式
 *  java 实现单例模式方式比较多，笔者总结了五种:

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">实现方式</th> 
   <th align="left">避免并发</th> 
   <th align="left">实现懒加载</th> 
   <th align="left">防止反序列化</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">饿汉式</td> 
   <td align="left">√</td> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">懒汉式</td> 
   <td align="left">√</td> 
   <td align="left">√</td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">双重检查</td> 
   <td align="left">√</td> 
   <td align="left">√</td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">匿名内部类</td> 
   <td align="left">√</td> 
   <td align="left">√</td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">枚举类</td> 
   <td align="left">√</td> 
   <td align="left">√</td> 
   <td align="left">√</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 1.6 推荐方式 ###

*  当明确单例对象肯定会在应用中使用, 且可以忽略反序列化, 内存浪费时, 优先考虑饿汉式
 *  当可以忽略反序列化问题时，可采用双重检查或匿名内部类方式.
 *  当对单例追求极致时，使用枚举类

## 2. java 实现单例模式 ##

*  单例模式根据静态常量的初始化时机，可分为饿汉式和懒汉式. \\
 *  饿汉式在jvm加载单例类时便进行初始化, 而懒汉式则在调用geInstance()方法时进行初始化.
 *  饿汉式可能会导致内存浪费, 当应用无须使用单例对象时，便产生了浪费。
 *  懒汉式可能导致并发问题或性能问题

### 2.1 饿汉式 ###

*  饿汉式可以在静态变量声明时或在静态代码块儿中初始化静态变量实例, 笔者推荐在变量声明时创建静态变量实例.
 *  饿汉式利用类加载机制来防止多线程并发问题, 但因此也可能产生内存浪费. 当整个应用都不使用这个对象时，则产生了浪费

// 推荐: 变量声明时便初始化
    public class Singleton {
    
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    
        private Singleton(){}
    
        public static Singleton getInstance(){
            return INSTANCE;
        }
    
    }
     
    // 静态代码块儿中初始化变量
    public class Singleton {
    
        private static final Singleton INSTANCE;
    
        static {
            INSTANCE = new Singleton();
        }
    
        private Singleton(){}
    
        public static Singleton getInstance(){
            return INSTANCE;
        }
    
    }

### 2.2 懒汉式-方法加锁 ###

*  为防止多线程并非导致初始化多个实例问题, 在获取单例方法添加了锁, 这样虽然避免了多线程的安全问题， 但是却牺牲了性能。
 *  因为，只需要在第一次INSTANCE为null时进行加锁即可, 之后不为null 之后无须创建便无须再加锁了. 这种写法为使得每次读取也进行了排队等待

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

### 2.3 懒加载-双重检查(Double Check) ###

*  双重检查是在多线程开发中经常用到的一个概念, 可以兼顾并发问题和性能问题.
 *  双重检查可保证第一次创建实例时使用并发锁，之后的读取不使用锁

public class Singleton { 
    
        // 使用volatile 修饰
        private static volatile Singleton INSTANCE;
    
        private Singleton(){ }
    
        public static Singleton getInstance(){ 
            if (INSTANCE == null) { 
                synchronized (Singleton.class) { 
                    if (INSTANCE == null) { 
                        INSTANCE = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return INSTANCE;
        }
    
    }

### 2.4 懒加载-匿名内部类 ###

*  匿名内部类也是借助于jvm 加载类这种机制避免的并发性问题.
 *  当单例类加载时，并不会加载匿名内部类。当第一次调用getInstance方法时, jvm 会加载匿名内部类，会对匿名内部类中的静态变量进行初始化.

public class Singleton { 
    
        private Singleton(){ }
    
        // 内部类装载时，初始化
        private static class SingletonInstance{ 
            // 使用final修饰, 不可更改，而且jvm会有一定的优化
            public static final Singleton INSTANCE = new Singleton5();
        }
    
        public static Singleton5 getInstance(){ 
            return Singleton5Instance.INSTANCE;
        }
        
    }

### 2.5 枚举类 ###

*  java 中的枚举类是一个特殊的类，可借助于枚举类来实现单例类。
 *  这种方式可以避免多线程并发问题，实现懒加载
 *  只有这种方式可以防止反序列化问题
 *  这种方式也是Effective Java 作者JoshBloch提倡的方式

enum Singleton6 { 
    
        INSTANCE;
        
    }

## 3. 单例模式在jdk中的应用 ##

jdk 中也大量使用了单例模式，如java.lang.Runtime

public class Runtime { 
        private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
    
        public static Runtime getRuntime() { 
            return currentRuntime;
        }
    
        /** Don't let anyone else instantiate this class */
        private Runtime() { }
    }

[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9yYXcuZ2l0aHVidXNlcmNvbnRlbnQuY29tL3pvbmdmMDUwNC9ibG9nLWltYWdlcy9tYXN0ZXIvaW1hZ2VzL2Rlc2lnbi1wYXJ0dGVybi9sZHAtc2luZ2xldG9uLTAxLnBuZw?x-oss-process=image/format,png