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Java设计模式之单例模式详解


 

 
 
在Java开发过程中,很多场景下都会碰到或要用到单例模式,在设计模式里也是经常作为指导学习的热门模式之一,相信每位开发同事都用到过。我们总是沿着前辈的足迹去做设定好的思路,往往没去探究为何这么做,所以这篇文章对单例模式做了详解。
 
一、单例模式定义:
 
单例模式确保某个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中,线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机,但只能有一个Printer Spooler,以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口,系统应当集中管理这些通信端口,以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之,选择单例模式就是为了避免不一致状态,避免政出多头。
 
二、单例模式特点:
  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。
 
单例模式保证了全局对象的唯一性,比如系统启动读取配置文件就需要单例保证配置的一致性。
 
三、线程安全的问题
 
一方面在获取单例的时候,要保证不能产生多个实例对象,后面会详细讲到五种实现方式;
 
另一方面,在使用单例对象的时候,要注意单例对象内的实例变量是会被多线程共享的,推荐使用无状态的对象,不会因为多个线程的交替调度而破坏自身状态导致线程安全问题,比如我们常用的VO,DTO等(局部变量是在用户栈中的,而且用户栈本身就是线程私有的内存区域,所以不存在线程安全问题)。
 
四、单例模式的选择
 
还记得我们最早使用的MVC框架Struts1中的action就是单例模式的,而到了Struts2就使用了多例。在Struts1里,当有多个请求访问,每个都会分配一个新线程,在这些线程,操作的都是同一个action对象,每个用户的数据都是不同的,而action却只有一个。到了Struts2, action对象为每一个请求产生一个实例,并不会带来线程安全问题(实际上servlet容器给每个请求产生许多可丢弃的对象,但是并没有影响到性能和垃圾回收问题,有时间会做下研究)。
 
五、实现单例模式的方式
 
1.饿汉式单例(立即加载方式)
 
复制代码
// 饿汉式单例
public class Singleton1 {
    // 私有构造
    private Singleton1() {}
 
    private static Singleton1 single = new Singleton1();
 
    // 静态工厂方法
    public static Singleton1 getInstance() {
        return single;
    }
}
复制代码
 
 
饿汉式单例在类加载初始化时就创建好一个静态的对象供外部使用,除非系统重启,这个对象不会改变,所以本身就是线程安全的。
 
Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被
 
实例化,在同一个虚拟机范围内,Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。(事实上,通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的,那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论,姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。)
 
2.懒汉式单例(延迟加载方式)
 
复制代码
// 懒汉式单例
public class Singleton2 {
 
    // 私有构造
    private Singleton2() {}
 
    private static Singleton2 single = null;
 
    public static Singleton2 getInstance() {
        if(single == null){
            single = new Singleton2();
        }
        return single;
    }
}
复制代码
 
 
该示例虽然用延迟加载方式实现了懒汉式单例,但在多线程环境下会产生多个single对象,如何改造请看以下方式:
 
使用synchronized同步锁
 
复制代码
public class Singleton3 {
    // 私有构造
    private Singleton3() {}
 
    private static Singleton3 single = null;
 
    public static Singleton3 getInstance() {
        
        // 等同于 synchronized public static Singleton3 getInstance()
        synchronized(Singleton3.class){
          // 注意:里面的判断是一定要加的,否则出现线程安全问题
            if(single == null){
                single = new Singleton3();
            }
        }
        return single;
    }
}
复制代码
在方法上加synchronized同步锁或是用同步代码块对类加同步锁,此种方式虽然解决了多个实例对象问题,但是该方式运行效率却很低下,下一个线程想要获取对象,就必须等待上一个线程释放锁之后,才可以继续运行。
 
复制代码
public class Singleton4 {
    // 私有构造
    private Singleton4() {}
 
    private static Singleton4 single = null;
 
    // 双重检查
    public static Singleton4 getInstance() {
        if (single == null) {
            synchronized (Singleton4.class) {
                if (single == null) {
                    single = new Singleton4();
                }
            }
        }
        return single;
    }
}
复制代码
 
使用双重检查进一步做了优化,可以避免整个方法被锁,只对需要锁的代码部分加锁,可以提高执行效率。
 
3.静态内部类实现
 
复制代码
public class Singleton6 {
    // 私有构造
    private Singleton6() {}
 
    // 静态内部类
    private static class InnerObject{
        private static Singleton6 single = new Singleton6();
    }
    
    public static Singleton6 getInstance() {
        return InnerObject.single;
    }
}
复制代码
 
 
静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性,但是在遇到序列化对象时,默认的方式运行得到的结果就是多例的。这种情况不多做说明了,使用时请注意。
 
4.static静态代码块实现
 
复制代码
public class Singleton6 {
    
    // 私有构造
    private Singleton6() {}
    
    private static Singleton6 single = null;
 
    // 静态代码块
    static{
        single = new Singleton6();
    }
    
    public static Singleton6 getInstance() {
        return single;
    }
}
复制代码
 
 
5.内部枚举类实现
 
复制代码
public class SingletonFactory {
    
    // 内部枚举类
    private enum EnmuSingleton{
        Singleton;
        private Singleton8 singleton;
        
        //枚举类的构造方法在类加载是被实例化 
        private EnmuSingleton(){
            singleton = new Singleton8();
        }
        public Singleton8 getInstance(){
            return singleton;
        }
    }
    public static Singleton8 getInstance() {
        return EnmuSingleton.Singleton.getInstance();
    }
}
 
class Singleton8{
    public Singleton8(){}
}
复制代码
 
 
以上就是本文要介绍的所有单例模式的理解和实现,相信这篇文章能让大家更清楚的理解单例模式,希望大家有问题可以探讨,多多指教!