【Java中23种面试常考的设计模式之单例模式(Singleton)---创建型模式】

【Java中23种面试常考的设计模式之单例模式(Singleton)—创建型模式】

知识回顾:

之前我们讲过的设计模式在这里呦:
【面试最常见的设计模式之单例模式】
【面试最常见的设计模式之工厂模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之备忘录模式(Memento)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之观察者模式(Observer)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之模板模式(Template)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之状态模式(State)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之策略模式(Strategy)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之迭代器模式(Iterator)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之访问者模式(Visitor)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之中介者模式(Mediator)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之解释器模式(Interpreter)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之命令模式(Command)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之责任链模式(Chain of Responsibility)—行为型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之适配器模式(Adapter)—结构型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之桥接模式(Bridge)—结构型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之组合模式(Composite)—结构型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之装饰器模式(Decorator)—结构型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之外观模式(Facade)—结构型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之享元模式(Flyweight)—结构型模式】
【Java中23种面试常考的设计模式之代理模式(Proxy)—结构型模式】
接下来我们要进行学习的是:【Java中23种面试常考的设计模式之单例模式(Singleton)—创建型模式】。

单例模式

1. 单例模式的核心是保证一个类只有一个实例，并且提供一个访问实例的全局访问点。
2. 单例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。

解决的问题

1. 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。
2. 一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

生产开发中常用的使用场景

1. Spring中bean对象的模式实现方式
2. servlet中每个servlet的实例
3. spring mvc和struts1框架中，控制器对象是单例模式
4. 应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加
5. 项目中，读取配置文件的类，一般也只有一个对象。没有必要每次使用配置文件数据，每次new一个对象去读取。
6. 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源

模式优点与缺点

优点

1. 由于单例模式只生成一个实例，减少了系统性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决
2. 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化环共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理

缺点

1. 没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突。

核心角色

Singleton:单例类
Client—Main:客户端主函数测试类

UML类图

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：此种方式在类加载后如果我们一直没有调用getInstance方法，那么就不会实例化对象。实现了延迟加载
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。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}
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2、懒汉式，此种方式在类加载后如果我们一直没有调用getInstance方法，那么就不会实例化对象。实现了延迟加载，但是因为在方法上添加了synchronized关键字，每次调用getInstance方法都会同步，所以对性能的影响比较大。
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）。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}
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3. 饿汉式:也就是类加载的时候立即实例化对象，实现的步骤是先私有化构造方法，对外提供唯一的静态入口方法
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。
注意:饿汉式单例模式代码中，static变量会在类装载时初始化，此时也不会涉及多个线程对象访问该对象的问题。虚拟机保证只会装载一次该类，肯定不会发生并发访问的问题。因此，可以省略synchronized关键字
问题：如果只是加载本类，而不是要调用getInstance()，甚至永远没有调用，则会造成资源浪费！

public class Singleton{
	// 声明此类型的变量，并实例化，当该类被加载的时候就完成了实例化并保存在了内存中
	private static Singleton instance = new Singleton();

	// 私有化所有的构造方法,防止直接通过new关键字实例化
	private Singleton(){}
	// 对外提供一个获取实例的静态方法
	public static Singleton getInstance(){
		return instance;
	}
}
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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。

public class Singleton { 
	//注意指令重排序的问题
    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;  
    }  
}
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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。
注意:
外部类没有static属性，则不会像饿汉式那样立即加载对象。
只有真正调用getInstance(),才会加载静态内部类。加载类时是线程安全的instance是static final类型，保证了内存中只有这样一个实例存在，而且只能被赋值一次，从而保证了线程安全性.
兼备了并发高效调用和延迟加载的优势！– 兼备了并发高效调用和延迟加载的优势！

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

1. 实现简单
2. 枚举本身就是单例模式。由JVM从根本上提供保障！避免通过反射和反序列化的漏洞！

缺点：

1. 无延迟加载

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}
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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。

好了，到这里【Java中23种面试常考的设计模式之单例模式(Singleton)—创建型模式】就结束了，23种设计模式持续更新汇总中。