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Java设计模式-单例模式

ccvgpt 2024-08-05 12:27:38 基础教程 10 ℃

什么是单例模式

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)。

为什么要有单例模式

实际编程应用场景中，有一些对象其实我们只需要一个，比如线程池对象、缓存、系统全局配置对象等。这样可以就保证一个在全局使用的类不被频繁地创建与销毁，节省系统资源。

Java设计模式-单例模式

单例实现方式

1.饿汉式

2.懒汉式-线程不安全

3.懒汉式-线程安全-同步方法

4.懒汉式-线程安全-同步代码块

5.双重检查

6.静态内部类

7.枚举

饿汉式(静态常量)

示例代码

package com.liwp.singleton;

/**
 * 饿汉式模式
 */
public class Hungry {
    //将构造方法私有化
    private Hungry() {
    }
    //创建对象实例
    private static final Hungry Instance = new Hungry();

    //返回单例
    public static Hungry getInstance() {
        return Instance;
    }
}

优缺点

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

4.结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

懒汉式-线程不安全

示例代码

package com.liwp.singleton;
/**
 * 懒汉式-线程不安全
 */
public class LazyThreadUnSafe {
    //将构造方法私有化
    private LazyThreadUnSafe() {
    }
    private  static LazyThreadUnSafe Instance;

    //返回单例
    public static LazyThreadUnSafe getInstance() {
        if(Instance==null){
            Instance=new LazyThreadUnSafe();
        }
        return Instance;
    }
}

优缺点

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 (Instance == 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

3.结论：在实际开发中，不要使用这种方式

懒汉式-线程安全-同步方法

示例代码


/**
 * 懒汉式-线程安全-同步方法
 */
public class LazyThreadSafeSynMethod {
    //将构造方法私有化
    private LazyThreadSafeSynMethod() {
    }
    private  static LazyThreadSafeSynMethod Instance;

    //同步方法，解决线程不一致问题
    public synchronized LazyThreadSafeSynMethod getInstance() {
        if(Instance==null){
            Instance=new LazyThreadSafeSynMethod();
        }
        return Instance;
    }
}

优缺点

1.解决了线程不安全问题

2.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。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

3.结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

懒汉式-线程安全-同步代码块

示例代码

/**
 * 懒汉式-线程安全-同步代码块
 */
public class LazyThreadSafeSynCodeBlock {
    //将构造方法私有化
    private LazyThreadSafeSynCodeBlock() {
    }
    private  static LazyThreadSafeSynCodeBlock Instance;


    public synchronized LazyThreadSafeSynCodeBlock getInstance() {
        if(Instance==null){
            synchronized (LazyThreadSafeSynCodeBlock.class){
                Instance=new LazyThreadSafeSynCodeBlock();
            }
        }
        return Instance;
    }
}

优缺点

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 (Instance == 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

3.结论：在实际开发中，不能使用这种方式

双重检查

示例代码

/**
 * 双重检查
 */
public class ThreadSafeDoubleCheck {
    //将构造方法私有化
    private ThreadSafeDoubleCheck() {
        if(Instance==null){
            Instance=this;
        }else{
            throw new IllegalStateException("Already initialized.");
        }
    }
    //加上volatile 解决指令重排问题
    private  volatile static ThreadSafeDoubleCheck Instance;

    //解决线程不一致问题
    public  ThreadSafeDoubleCheck getInstance() {
        if (Instance == null) {
            synchronized (ThreadSafeDoubleCheck.class) {
                if (Instance == null) {
                    Instance = new ThreadSafeDoubleCheck();
                }
            }
        }
        return Instance;
    }
}

优缺点

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 (Instance == 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 (Instance == 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。

4.结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式。

补充

volatile 关键字修饰也是很有必要的， Instance = new ThreadSafeDoubleCheck(); 这段代码其实是分为三步执行：

  1. 为 Instance 分配内存空间
  2. 初始化 Instance
  3. 将 Instance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getInstance() 后发现 Instance不为空，因此返回 Instance，但此时 Instance还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

静态内部类

示例代码

/**
 * 静态内部类
 */
public class StaticInnerClassHolder {

    private StaticInnerClassHolder(){
    }

    public static StaticInnerClassHolder getInstance() {
        return Holder.Instance;
    }

    /**
     * 延迟加载单例对象
     */
    private static class Holder{
        private static final StaticInnerClassHolder Instance = new StaticInnerClassHolder();
    }
}

优缺点

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.StaticInnerClassHolder，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载Holder类，从而完成Instance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。

5.结论：推荐使用。

枚举

示例代码

/**
 * 枚举单例
 */
public enum EnumSingleton {

    INSTANCE;
    @Override
    public String toString() {
        return getDeclaringClass().getCanonicalName() + "@" + hashCode();
    }
}

优缺点

1.这借助J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

JDK例子

  • java.lang.Runtime#getRuntime()
  • java.awt.Desktop#getDesktop()
  • java.lang.System#getSecurityManager()

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