• 4、设计模式之单例设计模式

    单例设计模式

    4.1 单例设计模式介绍

    所谓类的单例设计模式（Singleton Design Pattern ），就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，使得某个类只存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。

    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。

    4.2 单例设计模式分类

    1. 饿汉式(静态常量)
    2. 饿汉式（静态代码块）
    3. 懒汉式(线程不安全)
    4. 懒汉式(线程安全，同步方法)
    5. 懒汉式(线程安全，同步代码块)
    6. 双重检查
    7. 静态内部类
    8. 枚举

    4.3 饿汉式（静态常量）

    步骤如下：

    1. 构造器私有化
    2. 创建一个静态的不可变的本类对象
    3. 提供一个静态的公有方法返回该对象

    代码如下：

    package d2_singleton.type1;

/**
 * 饿汉式单例设计模式的实现（使用静态常量）
 * @author luxianghai
 *
 */

public class SingletonDemo {

	public static void main(String[] args) {
		
		Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		
		System.out.println(instance1 == instance2); // true
	}
}

class Singleton {
	// 1.私有化构造器
	private Singleton() {
		
	}
	
	// 2.创建一个本类对象 - static、final
	private final static Singleton INSTANCE = new Singleton();
	
	// 3. 提供一个静态的公有方法获取实例
	public static Singleton getInstance() {
		return INSTANCE;
	}
}

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    优缺点分析：

    1. 优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
    2. 缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费
    3. 这种方式基于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，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法， 但是导致类装载的原因有很多种，因此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就没有达到lazy loading的效果

    结论：这种单例模式可用，但可能造成内存浪费

    4.4 饿汉式（静态代码块）

    代码如下：

    package d2_singleton.type2;


/**
 * 饿汉式单例设计模式的实现（使用静态代码块实现）
 * @author luxianghai
 *
 */
public class SingletonDemo {

	public static void main(String[] args) {
		Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		
		System.out.println(instance1 == instance2); // true
	}

}

class Singleton {
	
	// 1.构造器私有化
	private Singleton() {
		
	}
	
	// 2.创建一个本类的成员
	private static Singleton instance;
	
	// 3.使用静态代码块初始化成员
	static {
		instance = new Singleton();
	}
	
	// 4.提供一个静态的公有方法获取实例
	public static Singleton getInstance() {
		return instance;
	}
	
}

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     优缺点分析：这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

    结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

    4.5 懒汉式(线程不安全)

    代码如下：

    package d2_singleton.type3;

/**
 * 懒汉式（线程不安全）
 * @author luxianghai
 *
 */
public class SingletonDemo {

	public static void main(String[] args) {
		Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		
		System.out.println(instance1 == instance2);
	}

}

class Singleton {
	// 1.私有化构造器
	private Singleton() {
		
	}
	
	// 2.创建静态成员变量
	private static Singleton instance;
	
	// 3.提供静态的公有方法获取实例
	public static Singleton getInstance() {
		if ( null == instance ) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

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     优缺点说明：

    1. 起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。
    2. 如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式

    结论：在实际开发中，不要使用这种方式.

    4.6 懒汉式(线程安全，同步方法)

    代码如下：

    package d2_singleton.type4;

/**
 * 懒汉式（线程安全）
 * @author luxianghai
 *
 */
public class InstancetonDemo {

	public static void main(String[] args) {
		Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		
		System.out.println(instance1 == instance2); // true
	}

}

class Singleton {
	// 1.私有化构造器
	private Singleton() {
		
	}
	// 2.创建成员静态变量
	private static Singleton instance;
	// 3.提供静态公有的方法获取对象实例
	public static synchronized Singleton getInstance() {
		if ( null == instance ) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}
}

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     优缺点说明：

    1. 解决了线程不安全问题
    2. 效率太低，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低

    结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

    4.7 懒汉式(线程安全，同步代码块)

    代码如下：

    package d2_singleton.type5;


/**
 * 饿汉式（线程安全，同步代码块）
 * @author luxianghai
 *
 */
public class SingletonDemo {

	public static void main(String[] args) {
		Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
		Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
		
		System.out.println(instance1 == instance2);
	}

}

class Singleton {
	
	//1.私有化构造器
	private Singleton() {
		
	}
	//2.创建静态成员变量
	private static Singleton instance;
	//3.提供静态公有方法来获取对象实例
	public static Singleton getInstance() {
		if ( null == instance ) {
			synchronized(Singleton.class) {
				instance = new Singleton();
			}
		}
		return instance;
	}
}

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     优缺点说明：

    1. 这种方式，本意是想对第四种实现方式的改进，因为前面同步方法效率太低，改为同步产生实例化的的代码块
    2. 但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例

    结论：在实际开发中，不能使用这种方式

    4.8 双重检查

    代码如下：

    package d2_singleton.type6;
/**
 * 双重检查
 * @author luxianghai
 *
 */
public class SingletonDemo {

	public static void main(String[] args) {
		

	}

}

class Singleton {
	// 1.私有化构造器
	private Singleton() {
		
	}
	// 2.创建静态成员变量
	private volatile static Singleton instance;
	
	// 3.提供静态公有方法获取实例
	public static Singleton getInstance() {
		if ( null == instance ) {
			synchronized(Singleton.class) {
				if ( null == instance ) {
					instance = new Singleton();
				}
			}
		}
		return instance;
	}
}

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     优缺点说明：

    1. Double-Check概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。
    2. 这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton == null)，直接return实例化对象，也避免的反复进行方法同步.
    3. 线程安全；延迟加载；效率较高

     结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

    4.9 静态内部类

    代码如下:

    package d2_singleton.type7;
/**
 * 静态内部类实现单例设计模式
 * @author luxianghai
 *
 */
public class SingletonDemo {

	public static void main(String[] args) {
		Singleton s1 = Singleton.getInstance();
		Singleton s2 = Singleton.getInstance();
		
		System.out.println(s1 == s2);
	}

}

class Singleton {
	//1.私有化构造器
	private Singleton() {
		
	}
	//2.创建静态内部类,该类提供一个静态常量
	static class Instance {
		public static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
	}
	// 3.创建静态公有方法获取实例
	public static Singleton getInstance() {
		return Instance.INSTANCE;
	}
}

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     优缺点说明：

    1. 这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
    2. 静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。
    3. 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们 保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。
    4. 优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高

    结论：推荐使用

    4.10 枚举

    代码如下：

    package d2_singleton.type8;

/**
 * 枚举类实现单例设计模式
 * @author luxianghai
 *
 */
public class SingletonDemo {

	public static void main(String[] args) {
		Singleton s1 = Singleton.getInstance();
		Singleton s2 = Singleton.getInstance();
		
		System.out.println(s1 == s2);
	}

}

class Singleton {
	//1.私有化构造器
	private Singleton() {
		
	}
	// 2.创建枚举类
	static enum SingletonEnum {
		INSTANCE;
		private Singleton instance;
		private SingletonEnum() {
			instance = new Singleton();
		}
		public Singleton getInstance() {
			return instance;
		}
	}
	
	public static Singleton getInstance() {
		return SingletonEnum.INSTANCE.getInstance();
	}
}

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     优缺点说明：

    1. 这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。
    2. 这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式

    结论：推荐使用

    4.11 存在的问题

    以上实现单例的方方式中，枚举方式除外，使上面定义的单例类（Singleton）其实是可以创建多个对象的，有两种方式，分别是序列化和反射。下面我将给出解决方案：

    4.11.1 解决序列化破坏单例

    代码如下：

    public class Singleton implements Serializable {

	private Singleton() {
		
	}

	static class Instance {
		private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
	}

	public static Singleton getInstance() {
		return Instance.INSTANCE;
	}
	// 加入该方法实现防止序列化造成多例
	public Object readResolve() throws ObjectStreamException {
		return Instance.INSTANCE;
	}
}

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    4.11.2 解决发射破坏单例

    代码如下：

    public class Singleton {

	private Singleton() {
		// 反射破解单例需要添加的代码
		if ( null != INSTANCE ) {
			throw new RuntimeException("请使用getInstance方法获取对象！！！");
		}
	}

	private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

	public static Singleton getInstance() {
		return INSTANCE;
	}
}

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    4.12 小结

    1. 单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能
    2. 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new
    3. 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即：重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session工厂等)

    相关文章索引

    设计模式概述
    UML类图
    软件设计原则

    后记

    我水平有限，错误难免，还望各位加以指正。

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  • 原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_43113381/article/details/127646928