Java设计模式(一):单例模式

简介

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。

原理分析

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、一个学校只有一个校长。
  • 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(比如公司官网首页页面缓存)。
  • 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 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

实现

步骤一:创建一个 Singleton 类

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!");
   }
}

步骤二:从 singleton 类获取唯一的对象

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();
   }
}

步骤三:运行主函数,获取执行结果

Hello World!

实现原理剖析

Java设计模式(一):单例模式

我们创建了一个SingleObject类,并将它的构造方法私有化,同时在类中创建一个instance属性,设定为私有,静态属性,通过类的私有构造方法赋值,同时对外提供一个获取该instance的方法。

在主函数中无法通过new创建SingleObject类的对象,只可以通过类名.getInstance()方法获取该类的实例,进而调用该类中其他公有方法。

单例模式类型

懒汉式

特点:线程不安全,延迟初始化,严格意义上不是不是单例模式

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。

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

饿汉式

特点:线程安全,比较常用,但容易产生垃圾,因为一开始就初始化

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 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。

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

双检验/双重校验锁

特点:线程安全,延迟初始化

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。

双重检查模式,进行了两次的判断,第一次是为了避免不要的实例,第二次是为了进行同步,避免多线程问题。由于 singleton=new Singleton() 对象的创建在JVM中可能会进行重排序,在多线程访问下存在风险,使用 volatile 修饰 signleton 实例变量有效,解决该问题。

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;  
    }  
}

静态内部类单例模式

特点:只有第一次调用getInstance方法时,虚拟机才加载 Inner 并初始化instance ,只有一个线程可以获得对象的初始化锁,其他线程无法进行初始化,保证对象的唯一性。目前此方式是所有单例模式中最推荐的模式,但具体还是根据项目选择

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。

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

枚举单例模式

默认枚举实例的创建是线程安全的,并且在任何情况下都是单例。实际上

  • 枚举类隐藏了私有的构造器。
  • 枚举类的域 是相应类型的一个实例对象
  • 那么枚举类型日常用例是这样子的:
public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

枚举单例模式在《Effective Java》中推荐的单例模式之一。但枚举实例在日常开发是很少使用的,就是很简单以导致可读性较差。

总结

在以上所有的单例模式中,推荐静态内部类单例模式。主要是非常直观,即保证线程安全又保证唯一性。

参考资料:

1、 菜鸟教程-设计模式

2、 简书-设计模式之单例模式

原文 

https://segmentfault.com/a/1190000021103373

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