Java设计模式--单例模式

柔情只为你懂 2022-05-30 04:41 72阅读 0赞

# 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、一个党只能有一个主席。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*，我们的演示类使用 *SingleObject* 类来获取 *SingleObject* 对象。

![单例模式的 UML 图][UML]

### 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 ###

验证输出。

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。

**代码实例：**

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）。

**代码实例：**

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

**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。  
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。

**代码实例：**

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。

**代码实例：**

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;  
        }  
    }

### 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 classloder 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。

**代码实例：**

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。

**代码实例：**

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。

[UML]: /images/20220530/3734f511ee1341c69abec8f78e69c07e.png