04-单例模式

设计模式设计模式

发布时间 : 2024-11-04 19:00

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一、单例设计模式介绍
二、饿汉式（静态常量）
三、饿汉式（静态代码块）
四、懒汉式(线程不安全)
五、懒汉式(线程安全，同步方法)
六、懒汉式(线程不安全，同步代码块)
七、双重检查
八、静态内部类
九、枚举
十、单例模式在JDK源码中的应用
十一、单例模式注意事项和细节说明

一、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。

实现单例模式的8种方式

饿汉式(静态常量)
饿汉式（静态代码块）
懒汉式(线程不安全)
懒汉式(线程安全，同步方法)
懒汉式(线程安全，同步代码块)
双重检查
静态内部类
枚举

二、饿汉式（静态常量）

编程步骤如下：

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

代码实现如下：

public class SingletonTest01 {

    /**
     * 测试方法
     * @param args
     */
    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()); // instance.hashCode=460141958
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode()); // instance2.hashCode=460141958
    }

}

/**
 * 单例模式：饿汉式（静态常量）
 */
class Singleton {
    // 1.构造器私有化

    private Singleton() {
    }

    // 2.在类的内部创建对象实例
    private static final 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;
    }
}

测试结果：

true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

优缺点说明

优点：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：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

结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

三、饿汉式（静态代码块）

代码实现如下：

public class SingletonTest02 {

    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());
    }

}

/**
 * 单例模式：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 static Singleton instance;

    static { // 在静态代码块中，创建单例对象
        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;
    }

}

测试结果：

true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

优缺点说明

优点：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。(与上一种方式类似)
缺点：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

结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

四、懒汉式(线程不安全)

代码实现如下：

public class SingletonTest03 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式1 ， 线程不安全~");
        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());
    }

}

/**
 * 单例模式：懒汉式（线程不安全的实现）
 */
class Singleton {
    private static Singleton instance;

    //1. 构造器私有化, 外部能new
    private Singleton() {
    }

    //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 Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 多线程并发下，可能会new多个实例对象
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

测试结果：

懒汉式1 ， 线程不安全~
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

优缺点说明

起到了Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。
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

结论：在实际开发中，不要使用这种方式.

五、懒汉式(线程安全，同步方法)

代码实现如下：

public class SingletonTest04 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式2 ， 线程安全~");
        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());
    }

}

/**
 * 单例模式：懒汉式(线程安全，同步方法)
 */
class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    //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 Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

测试结果：

懒汉式2 ， 线程安全~
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

优缺点说明

解决了线程安全问题
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。方法执行效率太低

结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式

六、懒汉式(线程不安全，同步代码块)

代码实现如下

public class SingletonTest05 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("~懒汉式(线程不安全，同步代码块)~");
        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());
    }
}

/**
 * 单例模式：懒汉式(线程不安全，同步代码块)
 */
class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 同步代码框放到 instance == null 后面，解决不了线程安全问题
            synchronized (Singleton.class) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

测试结果：

~懒汉式(线程不安全，同步代码块)~
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

优缺点说明

虽然加了 synchronized 做了同步，但是依然解决不了线程安全问题。在并发情况下，可能会出现两个线程都通过了if (singleton == null)判断语句块，那么即使有synchronized，也会创建多个实例。

结论：在实际开发中，不可以使用这种方式

七、双重检查

代码实现如下

public class SingletonTest06 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("双重检查");
        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());

    }

}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
    // 使用 volatile 关键字，当对象发生变化时，其它线程及时感知到
    private static volatile Singleton instance;

    // 构造器私有，不允许外部new对象
    private Singleton() {
    }

    //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 synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

测试结果：

双重检查
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

优缺点说明

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。
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.
线程安全；延迟加载；效率较高

结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

八、静态内部类

代码实现如下

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");
        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());
    }

}

/**
 * 单例模式：静态内部类完成，推荐使用
 */
class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    //构造器私有化
    private Singleton() {
    }

    //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 Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

测试结果：

使用静态内部类完成单例模式
true
instance.hashCode=460141958
instance2.hashCode=460141958

优缺点说明：

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。
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。
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。
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

结论：推荐使用.

九、枚举

代码实现如下

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

        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());

        instance.sayOk();
    }
}

/**
 * 单例模式，基于枚举实现，（推荐）
 */
enum Singleton {
    INSTANCE;

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

测试结果：
true
460141958
460141958
~ok~

优缺点说明

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。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式

结论：推荐使用

十、单例模式在JDK源码中的应用

最典型的就是 java.lang.Runtime 类，获取Runtime对象使用到的就是单例模式，且是饿汉式。

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}
    
}

十一、单例模式注意事项和细节说明

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。
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

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)

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