单例模式

单例模式

一、什么是单例模式

单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最简单的设计模式之一。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。

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

二、单例模式介绍

作用意图: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。

优点

  1. 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。

应用实例:一个班级只有一个班主任。

使用场景: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: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。

三、实例

1.懒汉式

1.1 线程不安全

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。

代码:他是在因为他是在第一次获取instance时才初始化,所以称为懒汉式。

public class Singleton_懒汉式_线程不安全 {
    private static Singleton_懒汉式_线程不安全 instance;
    private Singleton_懒汉式_线程不安全() {}
    public static Singleton_懒汉式_线程不安全 getInstance(){return instance = (instance == null ? instance = new Singleton_懒汉式_线程不安全() : instance);}
}

备注:接下来介绍的几种实现方式都支持多线程(线程安全),但是在性能上有所差异。

1.2 线程安全

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。
public class Singleton_懒汉式_线程安全 {
    private static Singleton_懒汉式_线程安全 instance;
    private Singleton_懒汉式_线程安全() {}
    public static synchronized Singleton_懒汉式_线程安全 getInstance(){return instance = (instance == null ? instance = new Singleton_懒汉式_线程安全() : instance);}
}

2.饿汉式

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。
public class Singleton03_饿汉式 {
    private static Singleton03_饿汉式 instance = new Singleton03_饿汉式();
    private Singleton03_饿汉式() {}
    public static Singleton03_饿汉式 getInstance(){return instance;}
}

3.双检锁/双重校验锁(DCL,即 double-checked locking)

JDK 版本:JDK1.5 起

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。

注意:需要加上volatile。

public class Singleton04_双重校验锁 {
    private volatile static Singleton04_双重校验锁 instance;
    private Singleton04_双重校验锁() {}
    public static Singleton04_双重校验锁 getInstance(){
        if (instance == null)  {
            synchronized (Singleton04_双重校验锁.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton04_双重校验锁();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

4.登记式/静态内部类

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。

public class Singleton05_静态内部类 {
    private Singleton05_静态内部类() {}
    /** 静态内部类 */
    private static class SingletonHoldler{
        private static final Singleton05_静态内部类 INSTANCE = new Singleton05_静态内部类();
    }
    public static Singleton05_静态内部类 getInstance(){return SingletonHoldler.INSTANCE;}
}

5.枚举

JDK 版本:JDK1.5 起

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。

public enum  Singleton06_枚举 {
    INSTANCE;
}

总结

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。

备注:

  • 懒汉式优化历程:懒汉式线程不安全 --> 懒汉式线程安全 --> 双检锁/双重校验锁(DCL,即 double-checked locking)
  • 饿汉式优化历程:饿汉式 --> 登记式/静态内部类

参考

【狂神说Java】单例模式-23种设计模式系列

单例模式