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Java基础单例模式详解


 

   

  1.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。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。

  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).单例类必须给所有的其他对对象提供这一实例。

  2.作用: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。

  3.应用实例: 1、一个党只能有一个主席。 2、Windows 是多进程多线程的,在操作一个文件的时候,就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象,所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。 3、一些设备管理器常常设计为单例模式,比如一个电脑有两台打印机,在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

  优点: 1、在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。

  4.

  实现

  我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

  SingleObject 类提供了一个静态方法,供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo,我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

  步骤 1

  创建一个 Singleton 类。

  SingleObject.java

  public class SingleObject {

  //创建 SingleObject 的一个对象

  private static SingleObject instance = new SingleObject();

  //让构造函数为 private,这样该类就不会被实例化

  private SingleObject(){}

  //获取唯一可用的对象

  public static SingleObject getInstance(){

  return instance;

  }

  public void showMessage(){

  System.out.println("Hello World!");

  }

  }

  步骤 2

  从 singleton 类获取唯一的对象。

  SingletonPatternDemo.java

  public class SingletonPatternDemo {

  public static void main(String[] args) {

  //不合法的构造函数

  //编译时错误:构造函数 SingleObject() 是不可见的

  //SingleObject object = new SingleObject();

  //获取唯一可用的对象

  SingleObject object = SingleObject.getInstance();

  //显示消息

  object.showMessage();

  }

  }

  步骤 3

  验证输出。

  Hello World!

  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,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。

  代码实例:

  public class Singleton {

  private static Singleton instance;

  private Singleton (){}

  public static Singleton getInstance() {

  if (instance == null) {

  instance = new Singleton();

  }

  return instance;

  }

  }

  接下来介绍的几种实现方式都支持多线程,但是在性能上有所差异。

  2、懒汉式,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)。

  代码实例:

  public class Singleton {

  private static Singleton instance;

  private Singleton (){}

  public static synchronized Singleton getInstance() {

  if (instance == null) {

  instance = new Singleton();

  }

  return instance;

  }

  }

  3、饿汉式

  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。

  它基于 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,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法, 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。

  代码实例:

  public class Singleton {

  private static Singleton instance = new Singleton();

  private Singleton (){}

  public static Singleton getInstance() {

  return instance;

  }

  }

  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。

  代码实例:

  public class Singleton {

  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;

  }

  }

  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。

  这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,它跟第 3 种方式不同的是:第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了,那么 instance 就会被实例化(没有达到 lazy loading 效果),而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有显示通过调用 getInstance 方法时,才会显示装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。想象一下,如果实例化 instance 很消耗资源,所以想让它延迟加载,另外一方面,又不希望在 Singleton 类加载时就实例化,因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候,这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

  代码实例:

  public class Singleton {

  private static class SingletonHolder {

  private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

  }

  private Singleton (){}

  public static final Singleton getInstance() {

  return SingletonHolder.INSTANCE;

  }

  }

  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。

  代码实例:

  public enum Singleton {

  INSTANCE;

  public void whateverMethod() {

  }

  }

  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。