Java设计模式(五)：单例设计模式

小咪咪 2022-04-01 04:14 267阅读 0赞

# 1. 应用场景 #

一个无状态的类使用单例模式节省内存资源。 比如说线程池、缓存、对话框、设置偏好和注册表对象、日志对象、充当打印机、显卡等设备的驱动程序对象。

# 2. 概念 #

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

# 3.Class Diagram #

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzIxMTI1MTgz_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 4. Implementation #

## 4.1 懒汉式-线程不安全 ##

以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致实例化多次 uniqueInstance。

public class ChocolateBoiler { 
    	private boolean empty;
    	private boolean boiled;
    	private static ChocolateBoiler uniqueInstance;
      
    	private ChocolateBoiler() { 
    		empty = true;
    		boiled = false;
    	}
      
    	public static ChocolateBoiler getInstance() { 
    		if (uniqueInstance == null) { 
    			System.out.println("Creating unique instance of Chocolate Boiler");
    			uniqueInstance = new ChocolateBoiler();
    		}
    		System.out.println("Returning instance of Chocolate Boiler");
    		return uniqueInstance;
    	}
    
    	public void fill() { 
    		if (isEmpty()) { 
    			empty = false;
    			boiled = false;
    			// fill the boiler with a milk/chocolate mixture
    		}
    	}
     
    	public void drain() { 
    		if (!isEmpty() && isBoiled()) { 
    			// drain the boiled milk and chocolate
    			empty = true;
    		}
    	}
     
    	public void boil() { 
    		if (!isEmpty() && !isBoiled()) { 
    			// bring the contents to a boil
    			boiled = true;
    		}
    	}
      
    	public boolean isEmpty() { 
    		return empty;
    	}
     
    	public boolean isBoiled() { 
    		return boiled;
    	}
    }

## 4.2 饿汉式-线程安全 ##

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

public class ChocolateBoiler { 
    	private boolean empty;
    	private boolean boiled;
    	private static ChocolateBoiler uniqueInstance =new ChocolateBoiler();
      
    	private ChocolateBoiler() { 
    		empty = true;
    		boiled = false;
    	}
      
    	public ChocolateBoiler getInstance() { 
    		return uniqueInstance;
    	}
    
    	public void fill() { 
    		if (isEmpty()) { 
    			empty = false;
    			boiled = false;
    			// fill the boiler with a milk/chocolate mixture
    		}
    	}
     
    	public void drain() { 
    		if (!isEmpty() && isBoiled()) { 
    			// drain the boiled milk and chocolate
    			empty = true;
    		}
    	}
     
    	public void boil() { 
    		if (!isEmpty() && !isBoiled()) { 
    			// bring the contents to a boil
    			boiled = true;
    		}
    	}
      
    	public boolean isEmpty() { 
    		return empty;
    	}
     
    	public boolean isBoiled() { 
    		return boiled;
    	}
    }

## 4.3 懒汉式-线程安全 ##

只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，即使 uniqueInstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。

public class ChocolateBoiler { 
    	private boolean empty;
    	private boolean boiled;
    	private static ChocolateBoiler uniqueInstance;
      
    	private ChocolateBoiler() { 
    		empty = true;
    		boiled = false;
    	}
      
    	public synchronized static ChocolateBoiler getInstance() { 
    		if (uniqueInstance == null) { 
    			System.out.println("Creating unique instance of Chocolate Boiler");
    			uniqueInstance = new ChocolateBoiler();
    		}
    		System.out.println("Returning instance of Chocolate Boiler");
    		return uniqueInstance;
    	}
    
    	public void fill() { 
    		if (isEmpty()) { 
    			empty = false;
    			boiled = false;
    			// fill the boiler with a milk/chocolate mixture
    		}
    	}
     
    	public void drain() { 
    		if (!isEmpty() && isBoiled()) { 
    			// drain the boiled milk and chocolate
    			empty = true;
    		}
    	}
     
    	public void boil() { 
    		if (!isEmpty() && !isBoiled()) { 
    			// bring the contents to a boil
    			boiled = true;
    		}
    	}
      
    	public boolean isEmpty() { 
    		return empty;
    	}
     
    	public boolean isBoiled() { 
    		return boiled;
    	}
    }

## 4.4 双重校验锁-线程安全 ##

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

public class ChocolateBoiler { 
    	private boolean empty;
    	private boolean boiled;
    	private static volatile ChocolateBoiler uniqueInstance;
      
    	private ChocolateBoiler() { 
    		empty = true;
    		boiled = false;
    	}
      
    	public static ChocolateBoiler getInstance() { 
    		if (uniqueInstance == null) { 
    			synchronized (ChocolateBoiler.class){ 
    				if(uniqueInstance==null){ 
    					System.out.println("Creating unique instance of Chocolate Boiler");
    					uniqueInstance = new ChocolateBoiler();
    				}
    			}
    		}
    		System.out.println("Returning instance of Chocolate Boiler");
    		return uniqueInstance;
    	}
    
    	public void fill() { 
    		if (isEmpty()) { 
    			empty = false;
    			boiled = false;
    			// fill the boiler with a milk/chocolate mixture
    		}
    	}
     
    	public void drain() { 
    		if (!isEmpty() && isBoiled()) { 
    			// drain the boiled milk and chocolate
    			empty = true;
    		}
    	}
     
    	public void boil() { 
    		if (!isEmpty() && !isBoiled()) { 
    			// bring the contents to a boil
    			boiled = true;
    		}
    	}
      
    	public boolean isEmpty() { 
    		return empty;
    	}
     
    	public boolean isBoiled() { 
    		return boiled;
    	}
    }

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句。

if (uniqueInstance == null) { 
        synchronized (Singleton.class) { 
            uniqueInstance = new ChocolateBoiler();
        }
    }

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

> 1.  为 uniqueInstance 分配内存空间
> 2.  初始化 uniqueInstance
> 3.  将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

## 4.5 静态内部类实现 ##

当 Singleton 类加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例，并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。

public class ChocolateBoiler { 
    	private boolean empty;
    	private boolean boiled;
    
    	private static class ChocolateBoilerHolder{ 
    		private static ChocolateBoiler uniqueInstance=new ChocolateBoiler();
    	}
    
    	private ChocolateBoiler() { 
    		empty = true;
    		boiled = false;
    	}
      
    	public static ChocolateBoiler getInstance() { 
    		return ChocolateBoilerHolder.uniqueInstance;
    	}
    
    	public void fill() { 
    		if (isEmpty()) { 
    			empty = false;
    			boiled = false;
    			// fill the boiler with a milk/chocolate mixture
    		}
    	}
     
    	public void drain() { 
    		if (!isEmpty() && isBoiled()) { 
    			// drain the boiled milk and chocolate
    			empty = true;
    		}
    	}
     
    	public void boil() { 
    		if (!isEmpty() && !isBoiled()) { 
    			// bring the contents to a boil
    			boiled = true;
    		}
    	}
      
    	public boolean isEmpty() { 
    		return empty;
    	}
     
    	public boolean isBoiled() { 
    		return boiled;
    	}
    }

## 4.6 枚举实现 ##

public enum Singleton { 
    
        INSTANCE;
    
        private String objName;
    
    
        public String getObjName() { 
            return objName;
        }
    
    
        public void setObjName(String objName) { 
            this.objName = objName;
        }
    
    
        public static void main(String[] args) { 
    
            // 单例测试
            Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
            firstSingleton.setObjName("firstName");
            System.out.println(firstSingleton.getObjName());
            Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
            secondSingleton.setObjName("secondName");
            System.out.println(firstSingleton.getObjName());
            System.out.println(secondSingleton.getObjName());
    
            // 反射获取实例测试
            try { 
                Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
                for (Singleton enumConstant : enumConstants) { 
                    System.out.println(enumConstant.getObjName());
                }
            } catch (Exception e) { 
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

该实现在多次序列化再进行反序列化之后，不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中，通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

# 5.Examples #

*  Logger Classes
 *  Configuration Classes
 *  Accesing resources in shared mode
 *  Factories implemented as Singletons

# 6. JDK #

*  [java.lang.Runtime\#getRuntime()][java.lang.Runtime_getRuntime]
 *  [java.awt.Desktop\#getDesktop()][java.awt.Desktop_getDesktop]
 *  [java.lang.System\#getSecurityManager()][java.lang.System_getSecurityManager]

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[java.lang.Runtime_getRuntime]: http://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Runtime.html#getRuntime%28%29
[java.awt.Desktop_getDesktop]: http://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/awt/Desktop.html#getDesktop--
[java.lang.System_getSecurityManager]: http://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/System.html#getSecurityManager--