单例模式

2022/8/4 6:24:20

本文主要是介绍单例模式,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

单例模式

单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最简单的设计模式之一。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。

介绍

  • 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。

  • 应用实例:

1、一个班级只有一个班主任。
2、Windows 是多进程多线程的,在操作一个文件的时候,就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象,所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
3、一些设备管理器常常设计为单例模式,比如一个电脑有两台打印机,在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
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。

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法,供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

image

步骤 1

创建一个 Singleton 类。

SingleObject.java

public class SingleObject {

   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();

   //让构造函数为 private,这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}

   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }

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

步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。

SingletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {

      //不合法的构造函数
      //编译时错误:构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();

      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();

      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

步骤 3

执行程序,输出结果:

Hello World!

单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式,如下所示:

1、懒汉式,线程不安全

  • 是否 Lazy 初始化:是

  • 是否多线程安全:否

  • 实现难度:易

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。

这种方式 lazy loading 很明显,不要求线程安全,在多线程不能正常工作。

实例

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton (){}

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

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程,但是在性能上有所差异。

2、懒汉式,线程安全

  • 是否 Lazy 初始化:是

  • 是否多线程安全:是

  • 实现难度:易

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)。

实例

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

3、饿汉式

  • 是否 Lazy 初始化:否

  • 是否多线程安全:是

  • 实现难度:易

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

它基于 classloader 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。

实例

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

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

  • JDK 版本:JDK1.5 起

  • 是否 Lazy 初始化:是

  • 是否多线程安全:是

  • 实现难度:较复杂

描述: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。

实例

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
    if (singleton == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (singleton == null) {
                singleton = new Singleton();
            }
        }
    }
    return singleton;
    }
}

“既然static保证了唯一性”:static保证唯一性,指的是static修饰的静态成员变量是唯一的,多个实例共享这唯一一个成员。
“那么他对多个线程来说都是可见的啊”:这里,static其实跟线程没太大关系,应该说对多个对象实例是可见的。你说对多个线程可见,虽然没什么毛病,因为静态变量全局可见嘛,但是把这个理解转到线程的上线文中是困惑的起因。
“volatile保证了线程之间的可见性”:因为线程看到volatile变量会去读取主内存最新的值,而不是自个一直在那跟内部的变量副本玩,所以保证了valatile变量在各个线程间的可见性。
“那么修改的时候只要是原子操作,那么就会保证它的唯一性了吧”:此时你说的“唯一性”,指的是各个线程都能读取到唯一的最新的主内存变量,消除了线程工作内存加载变量副本可能带来的线程之间的“不唯一性”。这里“唯一性”的含义跟第一句说的“唯一性”是不一样的。
“这两个在我理解上我觉得差不多。”:其实解决问题的“场景”是完全不一样的。
造成理解困惑最大的原因在于,这两个场景略有类似,以致混淆了:
场景1:各个类的实例共享唯一一个类静态变量
场景2:各个线程共同读取唯一的最新的主内存变量的值,只保证可见性,它不足以保证数据的同步性。

5、登记式/静态内部类

  • 是否 Lazy 初始化:是

  • 是否多线程安全:是

  • 实现难度:一般

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 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,它跟第 3 种方式不同的是:第 3 种方式只要 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,这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

实例

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

6、枚举

  • JDK 版本:JDK1.5 起

  • 是否 Lazy 初始化:否

  • 是否多线程安全:是

  • 实现难度:易

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。

实例

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

经验之谈:一般情况下,不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式,建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时,才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求,可以考虑使用第 4 种双检锁方式。



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