04-创建型模式【单例模式】

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谭继全
    阅读 8 分钟

    1 单例设计模式介绍

    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)。

    比如 Hibernate 的 SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建 Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够，这是就会使用到单例模式。

    1.1 单例设计模式八种方式

    单例模式有八种方式：
1. 饿汉式(静态常量)
2. 饿汉式（静态代码块）
3. 懒汉式(线程不安全)
4. 懒汉式(线程安全，同步方法)
5. 懒汉式(线程安全，同步代码块)
6. 双重检查
7. 静态内部类
8. 枚举

    2 饿汉式（静态常量）

    饿汉式（静态常量）应用实例步骤如下：

    1. 构造器私有化 (防止 new )
    2. 类的内部创建对象
    3. 向外暴露一个静态的公共方法。getInstance

    代码实现：

    public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

//饿汉式(静态变量)
class Singleton {
    //1. 构造器私有化，外部能 new
    private Singleton() {
    }

    //2.本类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton();

    //3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

    2.1 优缺点说明：

    优点：

    1. 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。

    缺点：

    1. 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。
    2. 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。
    3. 结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费。

    3 饿汉式（静态代码块）

    public class SingletonTest02 {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        Singleton2 instance = Singleton2.getInstance();
        Singleton2 instance2 = Singleton2.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

//饿汉式(静态变量)
class Singleton2 {
    //1. 构造器私有化，外部能 new
    private Singleton2() {
    }

    //2.本类内部创建对象实例
    private static Singleton2 instance;

    // 在静态代码块中，创建单例对象
    static {
        instance = new Singleton2();
    }

    //3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton2 getInstance() {
        return instance;
    }
}

    优缺点说明：

    1. 这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
    2. 结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费。

    4 懒汉式(线程不安全)

    public class SingletonTest03 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式 1 ， 线程不安全~");
        Singleton3 instance = Singleton3.getInstance();
        Singleton3 instance2 = Singleton3.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

class Singleton3 {
    private static Singleton3 instance;

    private Singleton3() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建 instance。 即懒汉式
    public static Singleton3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton3();
        }
        return instance;
    }
}

    4.1 优缺点说明：

    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 (singleton == 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。

    5 懒汉式(线程安全，同步方法)

    public class SingletonTest04 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式 2 ， 线程安全~");
        Singleton4 instance = Singleton4.getInstance();
        Singleton4 instance2 = Singleton4.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton4 {
    private static Singleton4 instance;

    private Singleton4() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题。 即懒汉式
    public static synchronized Singleton4 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton4();
        }
        return instance;
    }
}

    5.1 优缺点说明：

    1. 解决了线程安全问题
    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。

    6 懒汉式(线程不安全，同步代码块)

    public class SingletonTest05 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式 3 ， 线程安全~");
        Singleton5 instance = Singleton5.getInstance();
        Singleton5 instance2 = Singleton5.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton5 {
    private static Singleton5 instance;

    private Singleton5() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题。 即懒汉式
    public static Singleton5 getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 放到这里线程并不安全
            synchronized (Singleton5.class) {
                instance = new Singleton5();
            }
        }
        return instance;
    }
}

    结论：线程不安全，不推荐使用

    7 双重检查

    public class SingletonTest06 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("双重检查");
        Singleton6 instance = Singleton6.getInstance();
        Singleton6 instance2 = Singleton6.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton6 {
    /**
     * 加 volatile，instance 先线程之间具有可见性。
     * 当一个线程实例化成功后，通知其他线程，其他线程重新从主内存获取实例化的数据，
     * 当获取到锁时已经判断不为空了，就不会重复执行
     */
    private static volatile Singleton6 instance;

    private Singleton6() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题。同时保证了效率, 推荐使用
    public static Singleton6 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton6.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton6();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

    7.1 优缺点说明：

    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 (singleton == 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 (singleton == 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。

    8 静态内部类

    public class SingletonTest07 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用静态内部类完成单例模式");
        Singleton7 instance = Singleton7.getInstance();
        Singleton7 instance2 = Singleton7.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

/**
 * 静态内部类完成，推荐使用
 * 静态内部类机制：
 * 1、当外部类装载的时候，静态内部内不会被装载。
 * 2、当外部类去调用静态内部类里面的静态变量时，会导致静态内部类会被装载
 * 3、当一个类被状态的时候，线程是安全的。一个类装载是别的线程无法进入。
 * 所以通过静态内部类的机制实现单例模式。
 */
class Singleton7 {
    //构造器私有化
    private Singleton7() {
    }

    //写一个静态内部类,该类中有一个静态属性 Singleton
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton7 INSTANCE = new Singleton7();
    }

    //提供一个静态的公有方法，直接返回 SingletonInstance.INSTANCE
    public static Singleton7 getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

    8.1 优缺点说明：

    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. 静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 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。

    9 枚举

    public class SingletonTest08 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton8 instance = Singleton8.INSTANCE;
        Singleton8 instance2 = Singleton8.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance2);
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
        instance.sayOK();
    }
}

//使用枚举，可以实现单例, 推荐
enum Singleton8 {
    //属性
    INSTANCE;

    public void sayOK() {
        System.out.println("ok~");
    }
}

    9.1优缺点说明：

    1. 这借助 JDK1.5 中添加的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。

    10 单例模式在 JDK 应用的源码分析

    1. 我们 JDK 中，java.lang.Runtime 就是经典的单例模式(饿汉式)
    2. 代码分析+Debug 源码+代码说明

    11 单例模式注意事项和细节说明

    1. 单例模式保证了 系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能
    2. 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用 new
    3. 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即：重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session 工厂等)
    设计模式java
    谭继全
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