浅谈设计模式之单例模式

单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

注意:

1、单例类只能有一个实例。

2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。

3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

意图: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。

主要解决:一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用:当您想控制实例数目,节省系统资源的时候。

如何解决:判断系统是否已经有这个单例,如果有则返回,如果没有则创建。

关键代码:构造函数是私有的。

优点: 1、在内存里只有一个实例,减少了内存的开销,尤其是频繁的创建和销毁实例(比如管理学院首页页面缓存)。 2、避免对资源的多重占用(比如写文件操作)。

缺点:没有接口,不能继承,与单一职责原则冲突,一个类应该只关心内部逻辑,而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景: 1、要求生产唯一序列号。 2、WEB 中的计数器,不用每次刷新都在数据库里加一次,用单例先缓存起来。 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多,比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项:getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

单例模式的几种实现方式

1、懒汉式,线程不安全

描述:这种方式是最基本的实现方式,这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized,所以严格意义上它并不算单例模式,所以本文着重介绍下线程安全的几种实现方式。

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程,但是区别在于性能上有所差异化。

2、懒汉式(线程安全)

描述:这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作,但是,效率非常低。
优点:第一次调用才初始化,避免内存浪费。
缺点:必须加锁 synchronized 才能保证单例,但加锁会影响效率。

代码实例:

package single;

/**
 * 单例模式-懒汉式(线程安全)
 *
 * @author lihaoshan
 * @date 2018-06-15
 * */
public class SingletonLazy {

    private static SingletonLazy instance;

    private SingletonLazy (){}

    /**
     * 获取唯一可用的对象
     *
     * 是否 Lazy 初始化:是
     *
     * 描述:这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作,但是,效率很低,99% 情况下不需要同步。
     * 优点:第一次调用才初始化,避免内存浪费。
     * 缺点:必须加锁 synchronized 才能保证单例,但加锁会影响效率。
     * getInstance() 的性能对应用程序不是很关键(该方法使用不太频繁)。
     * */
    public static synchronized SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }

    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage:Hello Lazy");
    }
}

3、饿汉式(线程安全)

描述:这种方式比较常用,但容易产生垃圾对象。
优点:没有加锁,执行效率会提高。
缺点:类加载时就初始化,浪费内存。

代码实例:

package single;

/**
 * 单例模式-饿汉式(线程安全)
 *
 * 注意事项:
 * 优点:没有加锁,执行效率会提高。
 * 缺点:类加载时就初始化,浪费内存。
 *
 * @author lihaoshan
 * @date 2018-06-15
 * */
public class SingletonHungry {

    //私有化一个静态的SingleObject对象
    private static SingletonHungry instance = new SingletonHungry();

    //私有化SingleObject构造函数,该类则不会被实例化
    private SingletonHungry(){}

    /**
     * 获取唯一可用的对象
     *
     * 是否 Lazy 初始化:否
     *
     * 它基于 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,虽然导致类装载的原因有很多种,
     * 在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法,
     * 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。
     * */
    public static SingletonHungry getInstance(){
        return instance;
    }

    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage:Hello Hungry");
    }
}

4、双检锁/双重校验锁(DCL,即 double-checked locking)

描述:这种方式采用双重锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。

代码实例:

package single;

/**
 * 单例模式-双检锁/双重校验锁
 * (DCL,即 double-checked locking)
 *
 * @author lihaoshan
 * @date 2018-06-15
 * */
public class SingletonDCL {

    private volatile static SingletonDCL instance;

    private SingletonDCL (){}

    /**
     * 获取唯一可用的对象
     *
     * 是否 Lazy 初始化:是
     * 是否多线程安全:是
     *
     * 这种方式采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。
     * getInstance() 的性能对应用程序很关键。
     * */
    public static SingletonDCL getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonHungry.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDCL();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage:Hello DCL");
    }
}

5、登记式/静态内部类

描述:这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单。对静态域使用延迟初始化,应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况,双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

代码实例:

package single;

/**
 * 单例模式-登记式/静态内部类(线程安全)
 *
 * @author lihaoshan
 * @date 2018-06-15
 * */
public class SingletonRegister {

    private static class SingletonHolder {
        private static final SingletonRegister instance = new SingletonRegister();
    }

    private SingletonRegister (){}

    /**
     * 获取唯一可用的对象
     *
     * 是否 Lazy 初始化:是
     *
     * 描述:这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单。
     * 对静态域使用延迟初始化,应使用这种方式而不是双检锁方式。
     * 这种方式只适用于静态域的情况,双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
     * 这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,
     * 它跟 饿汉式 不同的是:饿汉式 只要 Singleton 类被装载了,
     * 那么 instance 就会被实例化(没有达到 lazy loading 效果),
     * 而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。
     * 因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有通过显式调用 getInstance 方法时,才会显式装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。
     * 想象一下,如果实例化 instance 很消耗资源,所以想让它延迟加载,
     * 另外一方面,又不希望在 Singleton 类加载时就实例化,
     * 因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。
     * 这个时候,这种方式相比 饿汉式 就显得很合理。
     * */
    public static final SingletonRegister getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }

    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage:Hello Register");
    }
}

6、枚举

描述:这种实现方式还没有被广泛采用,但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁,自动支持序列化机制,绝对防止多次实例化。

这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式,它不仅能避免多线程同步问题,而且还自动支持序列化机制,防止反序列化重新创建新的对象,绝对防止多次实例化。不过,由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性,用这种方式写不免让人感觉生疏,在实际工作中,也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

代码实例:

package single;

/**
 * 单例模式-枚举式(线程安全)
 *
 * 是否 Lazy 初始化:否
 * 是否多线程安全:是
 *
 * 描述:这种实现方式还没有被广泛采用,但这是实现单例模式的最佳方法。
 * 它更简洁,自动支持序列化机制,绝对防止多次实例化。
 * 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式,它不仅能避免多线程同步问题,
 * 而且还自动支持序列化机制,防止反序列化重新创建新的对象,绝对防止多次实例化。
 * 不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。
 * 
 * @author lihaoshan
 * @date 2018-06-15
 * */
public enum SingletonEnum {

    INSTANCE;

    public void whateverMethod() {
    }

    public void showMessage(){
        System.out.println("showMessage:Hello ENUM");
    }
}

使用建议

  • 一般情况下,不建议使用 懒汉方式,建议使用 饿汉方式。
  • 只有在要明确实现 lazy loading 效果时,才会使用 登记方式。
  • 如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用 枚举方式。
  • 如果有其他特殊的需求,可以考虑使用 双检锁方式。

源码地址

码云:https://gitee.com/haoshan/design_pattern

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