设计模式 —— 单例模式

2023年8月30日 291次阅读 来源: 算法小白

简介

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。 这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

  • 优点： 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

  • 缺点： 没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

注意

  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。
  4. 如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。
  5. 如果Singleton实现了java.io.Serializable接口，那么这个类的实例就可能被序列化和复原。

单例模式的几种实现方式

1、懒汉，线程不安全

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
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  • 多线程安全： 否
  • Lazy Loading： 是
  • 描述： 这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。

2、懒汉式，线程安全

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
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  • 多线程安全： 是
  • Lazy Loading： 是
  • 描述： 这种方式具备很好的 lazy loading，第一次调用才初始化，避免内存浪费，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。

3、饿汉式

public class Singleton {

    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}
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  • 多线程安全： 是
  • Lazy Loading： 否
  • 描述： 这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。没有加锁，执行效率会提高。类加载时就初始化，浪费内存。 它基于 classloader 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，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。

4、饿汉，变种

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    static {
        instance = new Singleton();
    }

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
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  • 多线程安全： 是
  • Lazy Loading： 否
  • 描述： 与第三种方式差不多，都是在类初始化即实例化instance。

5、登记式/静态内部类

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

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

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
}
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  • 多线程安全： 是
  • Lazy Loading： 是
  • 描述： 这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟第三种和第四种方式不同的是（很细微的差别）：第三种和第四种方式是只要Singleton类被装载了，那么instance就会被实例化（没有达到lazy loading效果），而这种方式是Singleton类被装载了，instance不一定被初始化。因为SingletonHolder类没有被主动使用，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显示装载SingletonHolder类，从而实例化instance。想象一下，如果实例化instance很消耗资源，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化instance显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第三和第四种方式就显得很合理。

6、枚举

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void whateverMethod() {
    }
}
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  • 多线程安全： 是
  • Lazy Loading： 否
  • 描述： 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。

7、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
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  • 多线程安全： 是
  • Lazy Loading： 是
  • 描述： 这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。唯一缺点就是书写麻烦。

总结

上面几种实现中，第一种不算单例，第四种和第三种就是一种，如果算的话，第五种也可以分开写了。所以说，一般单例都是五种写法：懒汉，恶汉，双重校验锁，枚举和静态内部类。 对我来说，我比较喜欢第三种和第五种方式，简单易懂。基本不会使用第一种和第二种方式，如果有其他特殊的需求，我可能会使用第七种方式。

    原文作者：算法小白
    原文地址: https://juejin.im/post/5c6a73b56fb9a049ac79b67a
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