二十三种设计模式之：（一）单例模式

ゝ一世哀愁。 2022-06-01 13:24 157阅读 0赞

> Ensure a class only has one instance,and provide a global point of access to it.  
> 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。

优点：它能够避免实例对象的重复创建，不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。如果一个对象有可能贯穿整个应用程序，而且起到了全局统一管理控制的作用，那么单例模式也许是一个值得考虑的选择

## 简介 ##

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

1.  某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。
2.  省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
3.  有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

### 分类 ###

1、饿汉式（线程安全，调用效率高，但是不能延时加载）

2、懒汉式（线程安全，调用效率不高，但是可以延时加载）

3、其他：

*  双重检测锁式（由于JVM底层内部模型原因，偶尔会出问题。不建议使用）
 *  静态内部类式（线程安全，调用效率高。但是可以延时加载）
 *  枚举单例（线程安全，调用效率高，不能延时加载）

## 实现 ##

*  **饿汉模式**

> **优点**：饿汉模式在类加载的时候就对实例进行创建，实例在整个程序周期都存在。它的好处是只在类加载的时候创建一次实例，不会存在多个线程创建多个实例的情况，避免了多线程同步的问题。  
> **缺点**：也很明显，即使这个单例没有用到也会被创建，而且在类加载之后就被创建，内存就被浪费了。

public class Singleton{   
            private static Singleton INSTANCE= new Singleton();  
            // 这个很重要，必须要显示写一个私有（private）无参构造器，避免其他地方使用new 来创建对象
            private Singleton(){ }  
            // 如果想使用该对象，只能通过这个get方法获取已经创建好的对象
            public static Singleton getInstance(){   
                return INSTANCE;  
            }  
        }

*  **懒汉模式**

> 懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建，再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。

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

*  **懒汉模式–多线程下**

> 但是这里的懒汉模式并没有考虑线程安全问题，在多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法，导致创建多个实例，因此需要加锁解决线程同步问题，实现如下

public class Singleton{   
            private static Singleton INSTANCE= null;  
            private Singleton(){ }  
            // 这里加了一个 synchronized 锁关键字
            public static synchronized Singleton getInstance(){   
                if(null == INSTANCE){   
                    INSTANCE= new Singleton();  
                }  
                return INSTANCE;  
            }  
        }

*  **双重校验锁**

> 加锁的懒汉模式看起来即解决了线程并发问题，又实现了延迟加载，然而它存在着性能问题，依然不够完美。synchronized修饰的同步方法比一般方法要慢很多，如果多次调用getInstance()，累积的性能损耗就比较大了。因此就有了双重校验锁，先看下它的实现代码。

public class Singleton {   
        private static Singleton INSTANCE= null;  
        private Singleton(){ }  
        public static Singleton getInstance() {   
            if (INSTANCE== null) {    // 1
                synchronized (Singleton.class) {   
                    if (INSTANCE== null) {   // 2
                        INSTANCE= new Singleton();  
                    }  
                }  
            }  
            return INSTANCE;  
        }  
    }

可以看到上面在同步代码块外多了一层INSTANCE为空的判断。由于单例对象只需要创建一次，如果后面再次调用getInstance()只需要直接返回单例对象。因此，大部分情况下，调用getInstance()都不会执行到同步代码块，从而提高了程序性能。不过还需要考虑一种情况，假如两个线程A、B。A执行了if (INSTANCE== null)语句，它会认为单例对象没有创建，此时线程切到B也执行了同样的语句，B也认为单例对象没有创建，然后两个线程依次执行同步代码块，并分别创建了一个单例对象。为了解决这个问题，还需要在同步代码块中增加if (INSTANCE== null)语句，也就是上面看到的代码2。

***volatile解析***：我们看到双重校验锁即实现了延迟加载，又解决了线程并发问题，同时还解决了执行效率问题，是否真的就万无一失了呢？  
  这里要提到Java中的指令重排优化。所谓指令重排优化是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快。JVM中并没有规定编译器优化相关的内容，也就是说JVM可以自由的进行指令重排序的优化。

这个问题的关键就在于由于指令重排优化的存在，导致初始化Singleton和将对象地址赋给INSTANCE字段的顺序是不确定的。在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。此时就可以将分配的内存地址赋值给INSTANCE字段了，然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstance，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。

以上就是双重校验锁会失效的原因，不过还好在JDK1.5及之后版本增加了\*\*\*volatile\*\*\*关键字。volatile的一个语义是禁止指令重排序优化，也就保证了instance变量被赋值的时候对象已经是初始化过的，从而避免了上面说到的问题。代码如下：

public class Singleton {   
       		 // volatile 有两个功能：1，禁止指令重排序 2，保证线程可见性（多线程里会讲，这里不再赘述）
            private static volatile Singleton INSTANCE= null;  
            private Singleton(){ }  
            public static Singleton getInstance() {   
                if (INSTANCE== null) {   
                    synchronized (Singleton.class) {   
                        if (INSTANCE== null) {   
                            INSTANCE= new Singleton();  
                        }  
                    }  
                }  
                return INSTANCE;  
            }  
        }

*  **静态内部类**

除了上面的三种方式，还有另外一种实现单例的方式，通过静态内部类来实现。首先看一下它的实现代码：

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

这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个instance实例。它与饿汉模式一样，也是利用了类加载机制，因此不存在多线程并发的问题。不一样的是，它是在内部类里面去创建对象实例。这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。

*  **枚举**

public enum E1 { 
        INSTANCE;
    
        public void doSomeThing(){ 
            System.out.println("其他业务方法逻辑...");
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            E1.INSTANCE.doSomeThing();  // 调用方式
        }
    }

**问题：** 上面提到的五种单例模式的书写方法，除了第一种饿汉模式：在类加载的时候实例化对象外，其他几种(懒汉模式（包括多线程），双重校验锁，静态内部类，)实现单例的方式都有共同的缺点：

*  需要额外的工作来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例。
 *  可以使用反射强行调用私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

**解决方法：** 枚举类很好的解决了这两个问题，使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。因此，《Effective Java》作者推荐使用的方法。不过，在实际工作中，很少看见有人这么写。

**总结**  
  本文总结了五种Java中实现单例的方法，其中前两种都不够完美，双重校验锁和静态内部类的方式可以解决大部分问题，平时工作中使用的最多的也是这两种方式。枚举方式虽然很完美的解决了各种问题。

**分析**  
  大体单例模式可以分为两类：1,、饿汉模式：线程安全，耗资源；为了解决资源问题出现了第二种方式，2：懒汉模式：线程不安全，用的时候在创建，性能比饿汉模式好。但是由于懒汉模式存在多线程下不安全的顾虑，导致出现了各种优化–>加锁方法，双重校验锁，静态内部类等方式。就这么简单。  
  其中枚举和静态内部类方式，没有什么区别，通过查看枚举的具体源码实现就可以看出，枚举实际上实现原理就是静态内部类。想具体了解\*\*\*请点击\*\*\*

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***话外题：***  
***   面试中经常会被问设计模式，单例大家多多少少都知道， 所以说这个的特别多。我面试就遇见过几次：用枚举怎么实现单例？ 那些地方用过单例模式？等等***

这个问题可以多百度，但是单例很常见，只是大家不注意，spring bean都是单例的，除非有特殊标示。