单例设计模式剑指offer

朱雀 2024-04-18 17:24 47阅读 0赞

## 单例设计模式 ##

#### **1.单例模式的定义** ####

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。

#### **2.单例模式的特点** ####

*  单例类只能有一个实例。
 *  单例类必须自己创建自己的唯一实例。
 *  单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

#### **3.单例模式的应用** ####

*  在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。
 *  这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态。

#### **4.单例模式的Java代码** ####

单例模式分为懒汉式（需要才去创建对象）和饿汉式（创建类的实例时就去创建对象）。

#### **5.饿汉式** ####

*  属性实例化对象

//饿汉模式：线程安全，耗费资源。
    public class HugerSingletonTest { 
        //该对象的引用不可修改
        private static final HugerSingletonTest ourInstance = new HugerSingletonTest();
    
        public static HugerSingletonTest getInstance() { 
            return ourInstance;
        }
    
        private HugerSingletonTest() { }
    }

*  在静态代码块实例对象

public class Singleton { 
        private static Singleton ourInstance;
        
        static { 
             ourInstance = new Singleton();
        }
    
        public static Singleton getInstance() { 
            return ourInstance;
        }
    
        private Singleton() { }
    }

分析：饿汉式单例模式只要调用了该类，就会实例化一个对象，但有时我们并只需要调用该类中的一个方法，而不需要实例化一个对象，所以饿汉式是比较消耗资源的。

#### **6.懒汉式** ####

*  非线程安全

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

分析：如果有两个线程同时调用getInstance()方法，则会创建两个实例化对象。所以是非线程安全的。

*  线程安全：给方法加锁

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

分析：如果有多个线程调用getInstance()方法，当一个线程获取该方法，而其它线程必须等待，消耗资源。

*  线程安全：双重检查锁（同步代码块）

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

分析：为什么需要双重检查锁呢？因为第一次检查是确保之前是一个空对象，而非空对象就不需要同步了，空对象的线程然后进入同步代码块，如果不加第二次空对象检查，两个线程同时获取同步代码块，一个线程进入同步代码块，另一个线程就会等待，而这两个线程就会创建两个实例化对象，所以需要在线程进入同步代码块后再次进行空对象检查，才能确保只创建一个实例化对象。

*  线程安全：静态内部类

public class Singleton { 
        private static class SingletonHodler { 
            private static final Singleton ourInstance = new Singleton();
        }
    
        public static Singleton getInstance() { 
            return SingletonHodler.ourInstance;
        }
    
        private Singleton() { }
    }

分析：利用静态内部类，某个线程在调用该方法时会创建一个实例化对象。

*  线程安全：枚举

enum SingletonTest {  
        INSTANCE;  
        public void whateverMethod() {
            
        }
    }

分析：枚举的方式是《Effective Java》书中提倡的方式，它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，但是在枚举中的其他任何方法的线程安全由程序员自己负责。还有防止上面的通过反射机制调用私用构造器。不过，由于Java1.5中才加入enum特性，所以使用的人并不多。

*  线程安全：使用ThreadLocal

public class Singleton {
        private static final ThreadLocal<Singleton> tlSingleton =
                new ThreadLocal<Singleton>() {
                    @Override
                    protected Singleton initialValue() {
                        return new Singleton();
                    }
                };
    
        public static Singleton getInstance() {
            return tlSingleton.get();
        }
        
        private Singleton() {}
    }

分析：ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

*  线程安全：CAS锁

public class Singleton { 
        private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<>();
    
        /** * 用CAS确保线程安全 */
        public static Singleton getInstance() { 
            while (true) { 
                Singleton current = INSTANCE.get();
                if (current != null) { 
                    return current;
                }
                current = new Singleton();
                if (INSTANCE.compareAndSet(null, current)) { 
                    return current;
                }
            }
        }
    
        private Singleton() { }
    }

#### **7.指令重排序** ####

*  我们再来思考一个问题，就是懒汉式的双重检查版本的单例模式，它一定是线程安全的吗？我会毫不犹豫的告诉你—不一定，因为在JVM的编译过程中会存在指令重排序的问题。
 *  其实创建一个对象，往往包含三个过程。  
    对于singleton = new Singleton()，这不是一个原子操作，在 JVM 中包含的三个过程。
 *  1>给 singleton 分配内存
 *  2>调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
 *  3>将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）
 *  但是，由于JVM会进行指令重排序，所以上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是 1-3-2，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被l另一个线程抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以这个线程会直接返回 instance，然后使用，那肯定就会报错了。
 *  针对这种情况，我们有什么解决方法呢？那就是把singleton声明成 volatile ，改进后的懒汉式线程安全（双重检查锁）的代码如下：

public class Singleton {
        //volatile的作用是：保证可见性、禁止指令重排序，但不能保证原子性
        private volatile static Singleton ourInstance;
    
        public static Singleton getInstance() {
            if (null == ourInstance) {
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (null == ourInstance) {
                        ourInstance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return ourInstance;
        }
    
        private Singleton() {
        }
    }

#### **8.单例模式在JDK8源码中的使用** ####

当然JDK源码中使用了大量的设计模式，那哪些地方使用了单例设计模式呢？

*  Runtime类部分源码如下

//饿汉式单例设计模式
    public class Runtime {
        private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
    
        public static Runtime getRuntime() {
            return currentRuntime;
        }
    
        private Runtime() {
        }
        
        //省略很多行
    }

# 参考链接 #

> [深入浅出单实例Singleton设计模式][Singleton]

# 交流学习 #

> [我的博客][Link 1]  
> [学习交流或获取更多资料欢迎加入QQ群][QQ]

[Singleton]: http://blog.csdn.net/haoel/article/details/4028232
[Link 1]: https://ysygitee.gitee.io/
[QQ]: https://jq.qq.com/?_wv=1027&k=5KVEQ2o