单例模式

小灰灰 2020-06-13 05:34 555阅读 0赞

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*，我们的演示类使用 *SingleObject* 类来获取 *SingleObject* 对象。

![单例模式][format_png]

#### 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 Singleton.");
        }
    
    }

#### 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 object1 = SingleObject.getInstance();
            SingleObject object2 = SingleObject.getInstance();
    
            System.out.println(object1);
            System.out.println(object2);
    
        }
    
    }

#### 步骤 3 ####

验证输出。

com.jourwon.designpattern.creational.singleton.SingleObject@1b6d3586
    com.jourwon.designpattern.creational.singleton.SingleObject@1b6d3586

### 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 Singleton1 {
    
        private static Singleton1 instance;
    
        private Singleton1() {}
    
        public static Singleton1 getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance =  new Singleton1();
            }
    
            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 Singleton2 {
    
        private static Singleton2 instance;
    
        private Singleton2() {}
    
        public static synchronized Singleton2 getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton2();
            }
    
            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 Singleton3 {
    
        private static Singleton3 instance = new Singleton3();
    
        private Singleton3() {}
    
        public static Singleton3 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 Singleton4 {
    
        private static Singleton4 instance;
    
        private Singleton4() {}
    
        public static Singleton4 getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (Singleton4.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new Singleton4();
                    }
                }
            }
    
            return instance;
        }
    
    }

#### 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，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 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 Singleton5 {
    
        private static class SingletonHolder {
            private static final Singleton5 INSTANCE = new Singleton5();
        }
    
        private Singleton5() {}
    
        public static Singleton5 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 Singleton6 {
    
        INSTANCE;
    
        public void whateverMethod() {}
    
    }

#### 7、volatile关键字 ####

**是否 Lazy 初始化**：是

**是否多线程安全**：是

**实现难度**：较复杂

**描述**：对于Double-Check这种可能出现的问题（当然这种概率已经非常小了，但毕竟还是有的嘛~），解决方案是：只需要给instance的声明加上volatile关键字即可volatile关键字的一个作用是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障（什么是内存屏障？），这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。注意：volatile阻止的不是singleton = newSingleton()这句话内部\[1-2-3\]的指令重排，而是保证了在一个写操作（\[1-2-3\]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。

**代码实例**：

public class Singleton7 {
    
        private static volatile Singleton7 instance = null;
    
        private Singleton7() {}
    
        public static Singleton7 getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (Singleton7.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new Singleton7();
                    }
                }
            }
    
            return instance;
        }
    
    }

#### 8、使用ThreadLocal实现单例模式（线程安全） ####

**是否 Lazy 初始化**：是

**是否多线程安全**：是

**实现难度**：较复杂

**描述**：ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

**代码实例**：

public class Singleton8 {
    
        private static final ThreadLocal<Singleton8> tlSingleton = new ThreadLocal<Singleton8>() {
            @Override
            protected Singleton8 initialValue() {
                return new Singleton8();
            }
        };
    
        private Singleton8() {}
    
        public static Singleton8 getInstance() {
            return tlSingleton.get();
        }
        
    }

#### 9、使用CAS锁实现（线程安全） ####

**是否 Lazy 初始化**：是

**是否多线程安全**：是

**实现难度**：较复杂

**代码实例**：

public class Singleton9 {
    
        private static final AtomicReference<Singleton9> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton9>();
    
        private Singleton9() {
        }
    
        public static Singleton9 getInstance() {
            for (; ; ) {
                Singleton9 current = INSTANCE.get();
    
                if (current != null) {
                    return current;
                }
    
                current = new Singleton9();
    
                if (INSTANCE.compareAndSet(null, current)) {
                    return current;
                }
            }
        }
    
    }

**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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