java设计模式之单例模式

简介
场景
实现
单例模式的几种实现方式
- 懒汉式，线程不安全
- 懒汉式，线程安全
- 饿汉式
- 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
- 登记式/静态内部类
- 枚举

简介

之所以最开始先写单例模式，原因在于单例模式可能大多数小白也用过，而且也是初级java面试常考查的一种模式，也是相对于较简单的一种设计模式。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。

场景

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 SingleObj类。SingleObj类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObj类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonTest类使用 SingleObj类来获取 SingleObj对象。

代码实例一
创建一个 SingleObj 类。

package net.work.util;public class SingleObj {private static SingleObj instance = new SingleObj();private SingleObj() {}public static SingleObj getInstance() {return instance;}public void showMessage() {System.out.println("hello SinglePattern!");}}

从 singleObj 类获取唯一的对象。

package net.work.util;public class SingleTest {public static void main(String[] args) {SingleObj instance = SingleObj.getInstance();System.out.println(instance.toString());instance.showMessage();}
}

结果

net.work.util.SingleObj@4e9ba398
hello SinglePattern!

代码实例2，工作用到的TcpServer的创建
单例类和获取单例对象

@Slf4j
@Component
public class TcpServer {private static class SingletonTcpServer {static final TcpServer instance = new TcpServer();}public static TcpServer getInstance() {return SingletonTcpServer.instance;}
}
@Overridepublic void onApplicationEvent(ContextRefreshedEvent event) {ExecutorService service;if (tcpEnable == 1) {service = Executors.newSingleThreadExecutor();service.submit(() -> TcpServer.getInstance().start(ip, tcpPort));}if (udpEnable == 1) {service = Executors.newSingleThreadExecutor();service.submit(() -> UdpServer.getInstance().start(ip, udpPort));}}

单例模式的几种实现方式

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。

package net.work.util;public class SingleObj {private static SingleObj instance;private SingleObj (){}public static SingleObj getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingleObj();}return instance;}
}

懒汉式，线程安全

（与上一种不同在于加锁）
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）。

package net.work.util;public class SingleObj {private static SingleObj instance;private SingleObj (){}public static synchronized SingleObj getInstance() {if (instance == null) {instance = new SingleObj();}return instance;}
}

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 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。

package net.work.util;public class SingleObj {private static SingleObj instance = new SingleObj();private SingleObj() {}public static synchronized SingleObj getInstance() {return instance;}
}

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。

package net.work.util;public class SingleObj {private static SingleObj singleObj;private SingleObj() {}public static SingleObj getInstance() {if (singleObj == null) {synchronized (SingleObj.class) {if (singleObj == null) {singleObj = new SingleObj();}}}return singleObj;}
}

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 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。

package net.work.util;public class SingleObj {private static class SingletonHolder {private static final SingleObj instance = new SingleObj();}private SingleObj (){}public static final SingleObj getInstance() {return SingletonHolder.instance;}
}

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。

public class User {//私有化构造函数private User() {}//定义一个静态枚举类static enum SingletonEnum {//创建一个枚举对象，该对象天生为单例INSTANCE;private User user;//私有化枚举的构造函数private SingletonEnum() {user = new User();}public User getInstance() {return user;}}//对外暴露一个获取User对象的静态方法public static User getInstance() {return SingletonEnum.INSTANCE.getInstance();}public static void main(String[] args) {System.out.println(User.getInstance());System.out.println(User.getInstance());System.out.println(User.getInstance() == User.getInstance());}
}
// 结果
net.work.util.User@4e9ba398
net.work.util.User@4e9ba398
true

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