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轻松手写单例模式的6种实现方式!再也不怕面试官问了!

猿兄

手撕单例模式不管是笔试还是面试,都是高频题了。
今天就来说一下单例模式的原理和 6 种实现方式。

文章目录:

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一、单例模式的定义

定义: 确保一个类只有一个实例,并提供该实例的全局访问点。

这样做的好处是:有些实例,全局只需要一个就够了,使用单例模式就可以避免一个全局使用的类,频繁的创建与销毁,耗费系统资源。

二、单例模式的设计要素

  • 一个私有构造函数 (确保只能单例类自己创建实例)
  • 一个私有静态变量 (确保只有一个实例)
  • 一个公有静态函数 (给使用者提供调用方法)

简单来说就是,单例类的构造方法不让其他人修改和使用;并且单例类自己只创建一个实例,这个实例,其他人也无法修改和直接使用;然后单例类提供一个调用方法,想用这个实例,只能调用。这样就确保了全局只创建了一次实例。

三、单例模式的6种实现及各实现的优缺点

(一)懒汉式(线程不安全)

实现:

public class Singleton {
     private static Singleton uniqueInstance;
   
     private Singleton() {
        
    }
    
    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

说明: 先不创建实例,当第一次被调用时,再创建实例,所以被称为懒汉式。

优点: 延迟了实例化,如果不需要使用该类,就不会被实例化,节约了系统资源。

缺点: 线程不安全,多线程环境下,如果多个线程同时进入了 if (uniqueInstance == null) ,若此时还未实例化,也就是uniqueInstance == null,那么就会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); ,就会实例化多个实例;

(二)饿汉式(线程安全)

实现:

public class Singleton {
    
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    
    private Singleton() {
    }
    
    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
    
}

说明: 先不管需不需要使用这个实例,直接先实例化好实例 (饿死鬼一样,所以称为饿汉式),然后当需要使用的时候,直接调方法就可以使用了。

优点: 提前实例化好了一个实例,避免了线程不安全问题的出现。

缺点: 直接实例化好了实例,不再延迟实例化;若系统没有使用这个实例,或者系统运行很久之后才需要使用这个实例,都会操作系统的资源浪费。

(三)懒汉式(线程安全)

实现:

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;
    
    private static singleton() {
    }
   
    private static synchronized Singleton getUinqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
    
}

说明: 实现和 线程不安全的懒汉式 几乎一样,唯一不同的点是,在get方法上 加了一把 锁。如此一来,多个线程访问,每次只有拿到锁的的线程能够进入该方法,避免了多线程不安全问题的出现。

优点: 延迟实例化,节约了资源,并且是线程安全的。

缺点: 虽然解决了线程安全问题,但是性能降低了。因为,即使实例已经实例化了,既后续不会再出现线程安全问题了,但是锁还在,每次还是只能拿到锁的线程进入该方法,会使线程阻塞,等待时间过长。

(四)双重检查锁实现(线程安全)

实现:

public class Singleton {
    
    private volatile static Singleton uniqueInstance;
    
    private Singleton() {
    }
    
    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }  
}

说明: 双重检查数相当于是改进了 线程安全的懒汉式。线程安全的懒汉式 的缺点是性能降低了,造成的原因是因为即使实例已经实例化,依然每次都会有锁。而现在,我们将锁的位置变了,并且多加了一个检查。 也就是,先判断实例是否已经存在,若已经存在了,则不会执行判断方法内的有锁方法了。 而如果,还没有实例化的时候,多个线程进去了,也没有事,因为里面的方法有锁,只会让一个线程进入最内层方法并实例化实例。如此一来,最多最多,也就是第一次实例化的时候,会有线程阻塞的情况,后续便不会再有线程阻塞的问题。

为什么使用 volatile 关键字修饰了 uniqueInstance 实例变量 ?

uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码执行时分为三步:

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

正常的执行顺序当然是 1>2>3 ,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。
单线程环境时,指令重排并没有什么问题;多线程环境时,会导致有些线程可能会获取到还没初始化的实例。
例如:线程A 只执行了 1 和 3 ,此时线程B来调用 getUniqueInstance(),发现 uniqueInstance 不为空,便获取 uniqueInstance 实例,但是其实此时的 uniqueInstance 还没有初始化。

解决办法就是加一个 volatile 关键字修饰 uniqueInstance ,volatile 会禁止 JVM 的指令重排,就可以保证多线程环境下的安全运行。

优点: 延迟实例化,节约了资源;线程安全;并且相对于 线程安全的懒汉式,性能提高了。

缺点: volatile 关键字,对性能也有一些影响。

(五)静态内部类实现(线程安全)

实现:

public class Singleton {
    
    private Singleton() {
    }
    
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
     
}

说明: 首先,当外部类 Singleton 被加载时,静态内部类 SingletonHolder 并没有被加载进内存。当调用 getUniqueInstance() 方法时,会运行 return SingletonHolder.INSTANCE; ,触发了 SingletonHolder.INSTANCE ,此时静态内部类 SingletonHolder 才会被加载进内存,并且初始化 INSTANCE 实例,而且 JVM 会确保 INSTANCE 只被实例化一次。

优点: 延迟实例化,节约了资源;且线程安全;性能也提高了。

(六)枚举类实现(线程安全)

实现:

public enum Singleton {
    
    INSTANCE;

    //添加自己需要的操作
    public void doSomeThing() {
    
    }
    
}

说明: 默认枚举实例的创建就是线程安全的,且在任何情况下都是单例。

优点: 写法简单,线程安全,天然防止反射和反序列化调用。

  • 防止反序列化
    序列化:把java对象转换为字节序列的过程;
    反序列化: 通过这些字节序列在内存中新建java对象的过程;
    说明: 反序列化 将一个单例实例对象写到磁盘再读回来,从而获得了一个新的实例。
    我们要防止反序列化,避免得到多个实例。
    枚举类天然防止反序列化。
    其他单例模式 可以通过 重写 readResolve() 方法,从而防止反序列化,使实例唯一重写 readResolve() :

    private Object readResolve() throws ObjectStreamException{
    return singleton;
    }

四、单例模式的应用场景

应用场景举例:

  • 网站计数器。
  • 应用程序的日志应用。
  • Web项目中的配置对象的读取。
  • 数据库连接池。
  • 多线程池。
  • ......

使用场景总结:

  • 频繁实例化然后又销毁的对象,使用单例模式可以提高性能。
  • 经常使用的对象,但实例化时耗费时间或者资源多,如数据库连接池,使用单例模式,可以提高性能,降低资源损坏。
  • 使用线程池之类的控制资源时,使用单例模式,可以方便资源之间的通信。

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