软件设计模式——单例模式

摘要

定义：确保一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例场景，也就是说：确保某个类有且只有一个对象的场景，避免产生多个对象消耗过多的资源，或者某种类型的对象应该有且只有一个。保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。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。

一、单例模式的八种方式

• 1）饿汉式（静态常量）
• 2）饿汉式（静态代码块，线程不安全）
• 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

package com.zhuangxiaoyan.designpattern.singleton;


public class SingletonDemo {


    private SingletonDemo instance;

    private SingletonDemo() {
    }

    public SingletonDemo getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonDemo();
        }
        return instance;
    }


    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(100);
                    SingletonDemo Singletondemo = new SingletonDemo().getInstance();
                    System.out.println(Singletondemo);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(100);
                    SingletonDemo Singletondemo = new SingletonDemo().getInstance();
                    System.out.println(Singletondemo);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

该程序下，可能出现的访问的signleton的对象不是同一个，导致出现线程不安全的问题（因为对象不是同一个，在修改对象属性的时候就会出现数据修改后不一致的问题）。

在开发中推荐使用的double check机制来实现单例模式。

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象，同时用`volatile`关键字修饰修饰
    private static volatile Singleton instance;

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码块，并进行双重判断，解决线程安全问题
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

二、饿汉式（静态常量，不推荐）

• 1）构造器私有化（防止外部 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

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部创建对象
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

• 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(懒加载) 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getlnstance 方法，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 instance 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。

三、饿汉式（静态代码块）

• 1）构造器私有化
• 2）类的内部声明对象
• 3）在静态代码块中创建对象
• 4）向外暴露一个静态的公共方法

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象
    private static Singleton instance;

    // 3、在静态代码块中创建对象
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    // 4、向外暴露一个静态的公共方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

• 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

四、懒汉式（线程不安全）（不能使用）

• 1）构造器私有化
• 2）类的内部创建对象
• 3）向外暴露一个静态的公共方法，当使用到该方法时，才去创建 instance

public class Singleton {
   // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象
    private static Singleton instance;

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法，当使用到该方法时，才去创建 instance
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
        instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

• 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，不要使用这种方式

五、懒汉式（线程安全，同步方法，synchronized锁类）（不推荐使用）

• 1）构造器私有化
• 2）类的内部创建对象
• 3）向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象
    private static Singleton instance;

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点

• 1）解决了线程不安全问题
• 2）效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getlnstance()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

六、懒汉式（线程安全，同步代码块，synchronized锁方法）（不能使用）

• 1）构造器私有化
• 2）类的内部创建对象
• 3）向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码块

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象
    private static Singleton instance;

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

 优缺点

• 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

七、双重检查（double check，volatile ）

• 1）构造器私有化
• 2）类的内部创建对象，同时用volatile关键字修饰修饰
• 3）向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码块，并进行双重判断，解决线程安全问题

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、类的内部声明对象，同时用`volatile`关键字修饰修饰
    private static volatile Singleton instance;

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法，加入同步处理的代码块，并进行双重判断，解决线程安全问题
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

• 1）Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，我们进行了两次检查，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

八、静态内部类（推荐使用）

• 1）构造器私有化
• 2）定义一个静态内部类，内部定义当前类的静态属性
• 3）向外暴露一个静态的公共方法

public class Singleton {
    // 1、构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    // 2、定义一个静态内部类，内部定义当前类的静态属性
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }

    // 3、向外暴露一个静态的公共方法
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.instance;
    }
}

• 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getlnstance方法，才会装载Singletonlnstance 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，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

九、枚举

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void sayHello() {
        System.out.println("Hello World");
    }
}

优缺点

• 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
• 3）结论：推荐使用

十、JDK 源码分析

JDK中 java.lang.Runtime 就是经典的单例模式

注意事项和细节说明

• 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但又经常用到的对象（即：重量级对象）、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）

十一、单例模式总结

将双重检查、静态内部类、枚举三种方式的单例模式，也可以归类到饿汉式和懒汉式中；另外，同步代码块虽然上述中归类到线程安全，实际上并不是线程安全的

总结如下

• |——饿汉式：静态常量、静态代码块、枚举（本质就是静态常量）
• |——懒汉式
  • |——线程不安全：一次检查、同步代码块
  • |——线程安全：同步方法、双重检查、静态内部类

分类方式懒加载线程安全效率内存推荐指数（仅供参考）饿汉式静态变量❌✔️✔️❌⭐⭐~静态代码块❌✔️✔️❌⭐⭐~枚举❌✔️✔️❌⭐⭐⭐懒汉式线程不安全✔️❌✔️✔️⭐~同步代码块✔️❌✔️✔️不要使用~同步方法✔️✔️❌✔️⭐~双重检查✔️✔️✔️✔️⭐⭐⭐~静态内部类✔️✔️✔️✔️⭐⭐⭐ 博文参考