设计模式之单例模式

单例模式是一种对象创建型模式，使用单例模式，可以保证为一个类只生成唯一的实例对象。也就是说，在正整个程序空间中，该类只存在一个实例对象。在GOF对单例模式的定义就是：保证一个类只有一个实例存在，同时提供能对该实例加以访问的全局访问方法

基本定义

所谓单例模式就是确保某一个类只有一个实例，并且提供一个全局访问点。

从上面可以看出单例模式有如下几个特点：

• 一、它只有一个实例。

• 二、它必须要自行实例化。

• 三、它必须自行向整个系统提供访问点。

模式结构

单例模式可以说是最简单的设计模式了，它仅有一个角色Singleton。

• Singleton：单例。

在应用系统开发中,我们常常有以下需求:在多个线程之间,比如servlet环境,共享同一个资源或者操作同一个对象在整个程序空间使用全局变量,共享资源大规模系统中,为了性能的考虑,需要节省对象的创建时.因为Singleton模式可以保证为一个类只生成唯一的实例对象,所以这些情况, Singleton模式就派上用场了。

单例模式细分有八种方式：

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

​​​​​​​。

饿汉式(静态常量)

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()

代码实现

package com.dongguo.singleton.type1;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:30
 * @description: 饿汉式(静态变量)
 */
public class Singleton {
    //1. 构造器私有化, 外部能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;
    }
}

package com.dongguo.singleton.type1;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:31
 * @description:
 */
public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        //判断是否是同一个实例对象
        System.out.println(instance == instance2);
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}
运行结果：
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

 

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。如果从始至终都未使用这个实例，则会造成内存的浪费。

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，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

结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

饿汉式（静态代码块）

package com.dongguo.singleton.type2;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:35
 * @description: 饿汉式(静态变量)
 */
public class Singleton {
    //1. 构造器私有化, 外部能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;
    }
}

package com.dongguo.singleton.type2;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:36
 * @description:
 */
public class SingletonTest02 {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        //判断是否是同一个实例对象
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}
运行结果：
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

 

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。

结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

懒汉式(线程不安全)

package com.dongguo.singleton.type3;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:39
 * @description: 懒汉式(线程不安全)
 */
public 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;
    }
}

package com.dongguo.singleton.type3;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:39
 * @description:
 */
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();
        //判断是否是同一个实例对象/
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}
运行结果：
懒汉式1 ， 线程不安全~
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

 

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

 结论：在实际开发中，不要使用这种方式.

懒汉式(线程安全，同步方法)

package com.dongguo.singleton.type4;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:41
 * @description: 懒汉式(线程安全，同步方法)
 */
public 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;
    }
}

package com.dongguo.singleton.type4;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:42
 * @description:
 */
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());
    }
}
运行结果：
懒汉式2 ， 线程安全~
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

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

结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

懒汉式(线程安全，同步代码块)

package com.dongguo.singleton.type5;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:44
 * @description: 懒汉式(线程安全，同步方法)
 */
public 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 Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

package com.dongguo.singleton.type5;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:44
 * @description:
 */
public class SingletonTest05 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式3 ， 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());
    }
}
运行结果：
懒汉式3 ， 线程安全~
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

假如并发非常大的场景下，有可能在判断instance 为null后 ，有多个线程等待

避免出现多次创建instance 。

结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

双重检查

package com.dongguo.singleton.type6;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:47
 * @description: 懒汉式(线程安全，同步方法)
 */
public 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;
    }
}

package com.dongguo.singleton.type6;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:47
 * @description:
 */
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());
    }
}
运算结果：
双重检查
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

 

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

结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

静态内部类

package com.dongguo.singleton.type7;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:48
 * @description: 静态内部类完成， 推荐使用
 */
public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    //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 synchronized Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

package com.dongguo.singleton.type7;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:49
 * @description:
 */
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());
    }

}
运行结果：
使用静态内部类完成单例模式
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

 

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

结论：推荐使用.

枚举

package com.dongguo.singleton.type8;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:50
 * @description: 使用枚举，可以实现单例, 推荐
 */
public enum Singleton {
    INSTANCE; //属性
}

package com.dongguo.singleton.type8;

/**
 * @author Dongguo
 * @date 2021/8/22 0022-8:51
 * @description:
 */
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());
    }
}
运行结果：
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

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

结论：推荐使用

单例模式在JDK 应用的源码分析

在JDK 中，java.lang.Runtime 就是经典的单例模式(饿汉式)

package java.lang;

import java.io.*;
import java.util.StringTokenizer;
import sun.reflect.CallerSensitive;
import sun.reflect.Reflection;



public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    ...
}

单例模式优缺点

优点

• 一、节约了系统资源。由于系统中只存在一个实例对象，对与一些需要频繁创建和销毁对象的系统而言，单例模式无疑节约了系统资源和提高了系统的性能。

• 二、因为单例类封装了它的唯一实例，所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。

缺点

• 一、由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
• 二、单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。

模式使用场景

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)

总结

• 1、单例模式中确保程序中一个类最多只有一个实例。
• 2、单例模式的构造器是私有了，而且它必须要提供实例的全局访问点。
• 3、单例模式可能会因为多线程的问题而带来安全隐患。​​​​​​​