Java设计模式【单例模式】-Toy模板网

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Java设计模式【单例模式】

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，其主要目的是确保一个类只有一个实例，并提供对该实例的唯一访问点。

优缺点

优点:

提供了对唯一实例的受控访问。
由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以节约系统资源。

缺点：

单例类的扩展有很大的困难。
单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。
对象生命周期。单例模式没有提出对象的销毁，在提供内存的管理的开发语言中，只有单例模式对象自己才能将对象实例销毁，因为只有它拥有对实例的引用。在各种开发语言中，比如C++，其他类可以销毁对象实例，但是这么做将导致单例类内部的指针指向不明。

单例模式的使用

饿汉模式

静态成员变量

/**
 * @author Physicx
 * @date 2023/5/12 下午10:13
 * @desc 单例
 * Created with IntelliJ IDEA
 */
public class Singleton {

    //初始化实例对象
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    //私有化构造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供获取实例对象方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

静态代码块

/**
 * @author Physicx
 * @date 2023/5/12 下午10:13
 * @desc 单例
 * Created with IntelliJ IDEA
 */
public class Singleton {

    //实例对象
    private static final Singleton instance;

    static {
        instance = new Singleton();
    }

    //私有化构造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供获取实例对象方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

饿汉式单例的写法适用于单例对象较少的情况，这样写可以保证绝对的线程安全，执行效率比较高。但是缺点也很明显，饿汉式会在类加载的时候就将所有单例对象实例化，这样系统中如果有大量的饿汉式单例对象的存在，系统初始化的时候会造成大量的内存浪费，换句话说就是不管对象用不用，对象都已存在，占用内存。

懒汉模式

public class Singleton {

    //实例对象
    private static Singleton instance;

    //私有化构造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供获取实例对象方法(线程安全)
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

线程安全的一种懒汉式写法，在类第一次使用的时候初始化，获取实例的静态方法由synchronized修饰，所以是线程安全的。这种方法每次获取实例对象都加锁同步，效率较低。

双重检测机制（DCL）

public class Singleton {

    //实例对象
    private static volatile Singleton instance;

    //私有化构造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供获取实例对象方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            //加锁处理
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance==null) {
                    //初始化
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

实例对象必须用 volatile 修饰，否则极端情况可能出现安全隐患。

以上初始化对象代码被编译后会变成以下三条指令：

分配对象的内存空间。
初始化对象。
设置instance指向刚才分配的内存空间。

如果按照上面的执行顺序则不加volatile没有问题，但是CPU或编译器为了提高效率，可能会进行指令重排，最终顺序变为：

分配对象的内存空间。
设置instance指向刚才分配的内存空间。
初始化对象。

当两个线程同时获取实例对象时，线程A已经将instance指向分配空间但未初始化对象，线程B此时第一次判空已不为空，于是返回instance实例，但是此时返回的实例未初始化会导致后续空指针异常。

DCL这种方式同样也是类第一次使用的时候初始化，初始化代码synchronized修饰线程安全，这种方式只会第一次实例对象才会进行同步，因此效率高。

《Java Concurrency in Practice》作者Brian Goetz在书中提到关于DCL的观点：促使DCL模式出现的驱动力（无竞争同步的执行速度很慢，以及JVM启动时很慢）已经不复存在，因而它不是一种高效的优化措施。延迟初始化占位类模式（静态内部类）能带来同样的优势，并且更容易理解。

静态内部类（延迟初始化）

public class Singleton {

    //私有化构造方法
    private Singleton(){}

    //静态内部类（被调用时加载）
    private static class SingletonHandle {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }

    //提供获取实例对象方法
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHandle.instance;
    }

}

利用静态内部类被调用时才加载的特性，通过静态初始化初始Singleton对象，由于JVM将在初始化期间获得一个锁，并且每个线程都至少获取一次这个锁以确保这个类已经加载，因此在静态初始化期间，内存写入操作将自动对所有线程可见。因此无论是在被构造期间还是被引用时，静态初始化的对象都不需要显式的同步。

线程安全，效率高，使用的时候才会初始化不浪费内存。

《Java Concurrency in Practice》作者Brian Goetz 推荐这种单例实现方式。

枚举实现方式

除了以上几种常见的实现方式之外，Google 首席 Java 架构师、《Effective Java》一书作者、Java集合框架的开创者Joshua Bloch在Effective Java一书中提到：单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

在这种实现方式中，既可以避免多线程同步问题；还可以防止通过反射和反序列化来重新创建新的对象。

public class Singleton {

    //私有化构造方法
    private Singleton() {}

    enum SingletonEnum {
        SINGLETON;
        private final Singleton instance;

        SingletonEnum() {
            instance = new Singleton();
        }
        //提供获取实例对象方法
        public Singleton getInstance() {
            return instance;
        }
    }

}

调用方式如下：

public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.SingletonEnum.SINGLETON.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.SingletonEnum.SINGLETON.getInstance();
        System.out.println(instance2 == instance1);
    }

普通的单例模式是可以通过反射和序列化/反序列化来破解的，jvm虚拟机会保证枚举类型不能被反射并且构造函数只被执行一次，而Enum由于自身的特性问题，是无法破解的。当然，由于这种情况基本不会出现，因此我们在使用单例模式的时候也比较少考虑这个问题。

总结

实现方式	优点	缺点
饿汉模式	线程安全，效率高	非懒加载
懒汉模式	线程安全，懒加载	效率低
双重检测机制	线程安全，懒加载，效率高
静态内部类	线程安全，懒加载，效率高
枚举	线程安全，效率高	非懒加载