Java Singleton设计模式最佳实践与示例

Java Singleton Pattern是四种帮派设计模式之一，属于创建设计模式类别。从定义来看，它似乎是一个非常简单的设计模式，但是当涉及到实现时，它会带来很多实现问题。Java Singleton模式的实现一直是开发人员争议的话题。在这里，我们将了解Singleton设计模式原理，实现Singleton设计模式的不同方法以及一些使用它们的最佳实践。

Java Singleton

Singleton模式限制类的实例化，并确保java虚拟机中只存在该类的一个实例。
单例类必须提供一个全局访问点来获取类的实例。
单例模式用于日志记录，驱动程序对象，缓存和线程池。
Singleton设计模式也用于其他设计模式，如Abstract Factory，Builder，Prototype，Facade等。
例如java.lang.Runtime，单核设计模式也用于核心java类中java.awt.Desktop。

Java Singleton模式

为了实现Singleton模式，我们有不同的方法，但它们都有以下常见概念。

私有构造函数，用于限制其他类的实例化。
同一个类的私有静态变量，它是该类的唯一实例。
返回类实例的公共静态方法，这是外部世界获取单例类实例的全局访问点。

在后面的部分中，我们将学习Singleton模式实现的不同方法以及设计实现的关注点。

急切的初始化
静态块初始化
延迟初始化
线程安全单例
Bill Pugh Singleton实施
使用Reflection来销毁Singleton Pattern
Enum Singleton
序列化和单身人士

急切的初始化

在急切的初始化中，Singleton类的实例是在类加载时创建的，这是创建单例类的最简单方法，但它有一个缺点，即即使客户端应用程序可能没有使用它，也会创建实例。

这是静态初始化单例类的实现。


package com.journaldev.singleton;public class EagerInitializedSingleton {private static final EagerInitializedSingleton instance = new EagerInitializedSingleton();//private constructor to avoid client applications to use constructorprivate EagerInitializedSingleton(){}public static EagerInitializedSingleton getInstance(){return instance;}
}

如果您的单例类没有使用大量资源，那么这就是使用方法。但是在大多数场景中，Singleton类是为文件系统，数据库连接等资源创建的。除非客户端调用该getInstance方法，否则我们应该避免实例化。此外，此方法不提供任何异常处理选项。

静态块初始化

静态块初始化实现类似于急切初始化，除了在静态块中创建类的实例，该静态块提供异常处理选项。


package com.journaldev.singleton;public class StaticBlockSingleton {private static StaticBlockSingleton instance;private StaticBlockSingleton(){}//static block initialization for exception handlingstatic{try{instance = new StaticBlockSingleton();}catch(Exception e){throw new RuntimeException("Exception occured in creating singleton instance");}}public static StaticBlockSingleton getInstance(){return instance;}
}

急切初始化和静态块初始化都会在使用之前创建实例，这不是最佳实践。因此，在后面的部分中，我们将学习如何创建支持延迟初始化的Singleton类。

阅读：Java静态

延迟初始化

实现Singleton模式的延迟初始化方法在全局访问方法中创建实例。以下是使用此方法创建Singleton类的示例代码。


package com.journaldev.singleton;public class LazyInitializedSingleton {private static LazyInitializedSingleton instance;private LazyInitializedSingleton(){}public static LazyInitializedSingleton getInstance(){if(instance == null){instance = new LazyInitializedSingleton();}return instance;}
}

上述实现在单线程环境中可以正常工作，但是当涉及到多线程系统时，如果多个线程同时位于if条件内，则会导致问题。它将破坏单例模式，两个线程将获得单例类的不同实例。在下一节中，我们将看到创建线程安全单例类的不同方法。

线程安全单例

创建线程安全的单例类的更简单方法是使全局访问方法同步，以便一次只有一个线程可以执行此方法。这种方法的一般实现类似于下面的类。


package com.journaldev.singleton;public class ThreadSafeSingleton {private static ThreadSafeSingleton instance;private ThreadSafeSingleton(){}public static synchronized ThreadSafeSingleton getInstance(){if(instance == null){instance = new ThreadSafeSingleton();}return instance;}}

上面的实现工作正常并提供了线程安全性，但由于与synchronized方法相关的成本，它降低了性能，尽管我们只需要可能创建单独实例的前几个线程（读取：Java同步）。为了避免每次额外的开销，使用双重检查锁定原理。在此方法中，synchronized块在if条件内使用，并进行额外检查以确保仅创建单个类的一个实例。

下面的代码片段提供了双重检查的锁定实现。


public static ThreadSafeSingleton getInstanceUsingDoubleLocking(){if(instance == null){synchronized (ThreadSafeSingleton.class) {if(instance == null){instance = new ThreadSafeSingleton();}}}return instance;
}

阅读：线程安全单例类

Bill Pugh Singleton实施

在Java 5之前，java内存模型存在很多问题，并且上述方法在某些情况下失败，在这些情况下，太多线程试图同时获取Singleton类的实例。因此Bill Pugh提出了一种使用内部静态助手类创建Singleton类的不同方法。Bill Pugh Singleton的实施就是这样的;


package com.journaldev.singleton;public class BillPughSingleton {private BillPughSingleton(){}private static class SingletonHelper{private static final BillPughSingleton INSTANCE = new BillPughSingleton();}public static BillPughSingleton getInstance(){return SingletonHelper.INSTANCE;}
}

请注意包含singleton类实例的私有内部静态类。加载单例类时，SingletonHelper类不会加载到内存中，只有当有人调用getInstance方法时，才会加载此类并创建Singleton类实例。

这是Singleton类最广泛使用的方法，因为它不需要同步。我在我的许多项目中使用这种方法，它也很容易理解和实现。

阅读：Java嵌套类

使用Reflection来销毁Singleton Pattern

反射可用于销毁所有上述单例实现方法。让我们看一下示例类。


package com.journaldev.singleton;import java.lang.reflect.Constructor;public class ReflectionSingletonTest {public static void main(String[] args) {EagerInitializedSingleton instanceOne = EagerInitializedSingleton.getInstance();EagerInitializedSingleton instanceTwo = null;try {Constructor[] constructors = EagerInitializedSingleton.class.getDeclaredConstructors();for (Constructor constructor : constructors) {//Below code will destroy the singleton patternconstructor.setAccessible(true);instanceTwo = (EagerInitializedSingleton) constructor.newInstance();break;}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}System.out.println(instanceOne.hashCode());System.out.println(instanceTwo.hashCode());}}

当您运行上面的测试类时，您会注意到两个实例的hashCode与销毁单例模式的方法不同。反射是非常强大的，并且在很多框架中使用，比如Spring和Hibernate，请查看Java Reflection Tutorial。

Enum Singleton

为了克服这种情况，Joshua Bloch建议使用Enum来实现Singleton设计模式，因为Java确保任何枚举值只在Java程序中实例化一次。由于Java Enum值是全局可访问的，因此单例也是如此。缺点是枚举类型有些不灵活; 例如，它不允许延迟初始化。


package com.journaldev.singleton;public enum EnumSingleton {INSTANCE;public static void doSomething(){//do something}
}

阅读：Java Enum

序列化和单身人士

有时在分布式系统中，我们需要在Singleton类中实现Serializable接口，以便我们可以将其状态存储在文件系统中并在以后的时间点检索它。这是一个小型单例类，它也实现了Serializable接口。


package com.journaldev.singleton;import java.io.Serializable;public class SerializedSingleton implements Serializable{private static final long serialVersionUID = -7604766932017737115L;private SerializedSingleton(){}private static class SingletonHelper{private static final SerializedSingleton instance = new SerializedSingleton();}public static SerializedSingleton getInstance(){return SingletonHelper.instance;}}

序列化单例类的问题在于，每当我们反序列化它时，它将创建该类的新实例。让我们用一个简单的程序来看。


package com.journaldev.singleton;import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInput;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutput;
import java.io.ObjectOutputStream;public class SingletonSerializedTest {public static void main(String[] args) throws FileNotFoundException, IOException, ClassNotFoundException {SerializedSingleton instanceOne = SerializedSingleton.getInstance();ObjectOutput out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("filename.ser"));out.writeObject(instanceOne);out.close();//deserailize from file to objectObjectInput in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("filename.ser"));SerializedSingleton instanceTwo = (SerializedSingleton) in.readObject();in.close();System.out.println("instanceOne hashCode="+instanceOne.hashCode());System.out.println("instanceTwo hashCode="+instanceTwo.hashCode());}}

上述程序的输出是;


instanceOne hashCode=2011117821
instanceTwo hashCode=109647522

所以它破坏了单例模式，为了克服这种情况我们需要做的就是提供readResolve()方法的实现。


protected Object readResolve() {return getInstance();
}

在此之后，您会注意到两个实例的hashCode在测试程序中是相同的。

阅读：Java序列化和Java反序列化。

我希望这篇文章可以帮助您掌握Singleton设计模式的精细细节，通过您的想法和评论让我知道。

转载来源：https://www.journaldev.com/1377/java-singleton-design-pattern-best-practices-examples

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