23种设计模式之单例模式

一、介绍

所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能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）

比如Hibernate的SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建Session对象，SessionFactory并不是轻量级的一般情况下，一个项目通常只需要一个SessionFactory就够了，这时就会使用到单例模式

单例模式有八种方式：

• 饿汉式 （静态常量）
• 饿汉式 （静态代码块）
• 懒汉式（线程不安全）
• 懒汉式（线程安全，同步方法）
• 懒汉式（线程安全，同步代码块）
• 双重检查
• 静态内部类
• 枚举

二、代码实现

2.1 饿汉式（静态变量）

2.1.1代码

class Singleton {
        //1.将构造器私有化 不能new
        private Singleton() {

        }
        
        //2.在本类内部创建对象实例
        private final static Singleton instance = new Singleton();


        //3、对外提供一个公有的静态方法，返回实例对象
        public static Singleton getInstance(){
            return instance;
        }
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

2.2.2 测试

        //测试
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton1 == singleton2);  //true
        System.out.println(singleton1.hashCode());
        System.out.println(singleton2.hashCode());
1
2
3
4
5
6

测试发现，singleton1和singleton2是同一个对象，而且hashcode都相同，后面的方法都是在这个结果基础之上进行优化。

2.2.3优缺点

优点：这种写法比较简单，就是在类加载的时候就完成实例化，避免了线程同步

缺点：在类加载的时候就完成了实例化，没有达到Lazy Loading的想过，如果从始至终从未用过这个实例，那么就会造成内存的浪费

结论：可用，但是可能造成内存浪费

2.2 饿汉式（静态代码块）

class Singleton2 {
    //1.将构造器私有化 不能new
    private Singleton2() {

    }

    //2.在本类内部创建对象实例
    private static Singleton2 instance;

    static {  //在静态代码块中，创建单例对象
        instance = new Singleton2();
    }

    //3、对外提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton2 getInstance() {
        return instance;
    }
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17

2.2.2优缺点

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，优点和缺点和上面是一样的

结论：可用，但是可能造成内存浪费

2.3 懒汉式（线程不安全）

2.3.1代码

class Singleton3 {

    private Singleton3() {

    }

    private static Singleton3 instance;
   //提供一个静态的公有方法，当时用到该方法时，才去创建instance 即懒汉式
    public static Singleton3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton3();
        }
        return instance;
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

2.3.2 优缺点

优点：起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用

缺点：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

2.4 懒汉式（线程安全，同步方法）

2.4.1 代码

class Singleton4{

    private Singleton4(){

    }

    private static Singleton4 instance;

    //提供了一个静态的公用方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    public static synchronized Singleton4 getInstance() {
        if(instance == null){
            instance = new Singleton4();
        }
        return instance;
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

2.4.2 优缺点

优点：解决了线程不安全的问题

缺点：效率太低了，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。其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该实例，直接return就好了。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

2.5 懒汉式（“线程安全” ？，同步代码块）

2.5.1 代码

class Singleton5{
    
    private Singleton5(){
        
    }
    
    private static Singleton5 instance;
    
    public static Singleton5 getInstance(){
        
        if(instance == null){
            
            synchronized (Singleton5.class){
                instance = new Singleton5();
            }
        }
        return instance;
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

2.5.2 优缺点

优点：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代码块

缺点：但是这种同步并不能起到线程同步的作用，跟第三种是方式所遇到的情形一致，加入一个线程进入了if(single == 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，所以它并不是线程安全的

结论：在实际开发中，不能使用这种方式

2.6 双重检查

2.6.1 代码

class Singleton6{

   //可以理解为轻量级synchronized
   //此共享变量一有变化就会立刻刷到主存当中，即volatile的可见性
    private static volatile Singleton6 instance;

    private Singleton6(){

    }
   //提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题，同时解决懒加载问题
    public static Singleton6 getInstance() {

        if(instance == null){
            synchronized (Singleton6.class){
                instance = new Singleton6();
            }
        }
        return instance;
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

2.6.2 优点

①Double-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，也避免了反复进行方法同步
③线程安全，延迟加载，效率较高
④结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

2.7 静态内部类

2.7.1 代码

我们首先要清楚两个概念：
①外部类进行装载时，静态内部类是不会随着外部类进行装载的
②在通过公有的方法去调用静态内部类中的元素时会被装载，且只装载一次

class Singleton7{
    
    private Singleton7(){
        
    }
    
    private static Singleton7 instance;
    
    //写一个静态内部类，该类中有一个静态属性Singleton
    private static class SingletonInstance{
        private static final Singleton7 INSTANCE = new Singleton7();
    }
    
    //提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE
    public static synchronized Singleton7 getInstance(){
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

2.7.2 优点

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：避免了线程的不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高
⑤结论：推荐使用

2.8 枚举

2.8.1 代码

首先我们通过测试枚举来看看是否产生的对象为同一个

  public static void main(String[] args) {
  //测试
        Singleton8 instance1 = Singleton8.INSTANCE;
        Singleton8 instance2 = Singleton8.INSTANCE;
        System.out.println(instance1 == instance2);
        System.out.println(instance1.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
    }

enum Singleton8{
    INSTANCE;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

测试发现，使用枚举，可以实现单例

2.8.2 优点

①这借助JDK1.5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
③结论：推荐使用

三、总结

通过上述八种单例模式的实现，我们可以总结出推荐使用的单例模式有

• 双重检查
• 静态内部类
• 枚举

四、JDK应用源码分析

java.lang.Runtime就是经典的单例模式
双击shift，搜索Runtime类，可以看见如下代码：

显而易见，这就是一个饿汉式的单例模式实现，因为Runtime类用的频繁，所以也不会有浪费内存的问题

五、注意事项和细节说明

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）