设计模式学习笔记-单例模式

2023年2月22日 407次阅读 来源: 算法小白

单例模式的学习与理解

单例模式算是设计模式中最容易理解，也是最容易手写代码的模式了吧。但是其中的坑却不少，所以也常作为面试题来考。本文主要对几种单例写法的整理，并分析其优缺点。很多都是一些老生常谈的问题，但如果你不知道如何创建一个线程安全的单例，不知道什么是双检锁，那这篇文章可能会帮助到你。

单例模式中，主要的技巧是：

1.将构造函数标为私有类型，然后就不能通过构造方法创建实例了

2.当然还是需要创建实例的，那就声明一个静态类变量

3.然后外部当需要获取实例的时候就通过公有类型的静态类方法获取静态类实例

1.懒汉模式

当被问到要实现一个单例模式时，很多人的第一反应是写出如下的代码，包括教科书上也是这样教我们的。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton( ){ }
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这段代码简单明了，而且使用了懒加载模式，但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候，就会创建多个实例。也就是说在多线程下不能正常工作。

2.饿汉模式

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

public class SingletonUrge {
    //创建类的时候就会执行这句话
    private static SingletonUrge instance = new SingletonUrge();
    private SingletonUrge(){}
    public static SingletonUrge getInstance(){
        return instance;
    }
}

这种写法如果完美的话，就没必要在啰嗦那么多双检锁的问题了。缺点是它不是一种懒加载模式（lazy initialization），单例会在加载类后一开始就被初始化，即使客户端没有调用 getInstance()方法。饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用：譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的，在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就无法使用了。

3.加同步锁

为了解决懒汉模式下的问题，最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步（synchronized）。

public class SingletonSync {
    private static SingletonSync instance;
    private SingletonSync(){}
    public synchronized static SingletonSync getInstance(){
        if (null == instance) {
            instance = new SingletonSync();
        }
        return instance;
    }
}

虽然做到了线程安全，并且解决了多实例的问题，但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要，即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。

4.双重验证机制

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，因为会有两次检查 null == instance，一次是在同步块外，一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次？因为可能会有多个线程一起进入同步块外的if，如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

public class SingletonDauth {
    private volatile static  SingletonDauth instance;
    private SingletonDauth(){}
    public static SingletonDauth getInstance(){
        if (null == instance) {
            synchronized (SingletonDauth.class){
                if (null == instance){
                    instance = new SingletonDauth();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

  1. 给 instance 分配内存

  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量

  3. 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非null了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile就可以了。

5.静态内部类

我比较倾向于使用静态内部类的方法，这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

public class SingletonInnerclass {
    private static class SingletonHolder{
        public static SingletonInnerclass instance = new SingletonInnerclass();
    }
    private SingletonInnerclass(){}
    public static SingletonInnerclass getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

6.枚举型

通过enum关键字来实现枚举，在枚举中需要注意的有：

1.枚举中的属性必须放在最前面，一般使用大写字母表示

2.枚举中可以和java类一样定义方法

3.枚举中的构造方法必须是私有的

public class Resource{
    //这里就是需要存放的单例资源
    public Resource(){
    }
}
public enum Singleton{
    INSTANCE;
    private Resource instance = null;
    Singleton(){
        instance = new Resource();
    }
    public Resource getInstance() {
        return instance;
    }
}

默认枚举实例的创建是线程安全的.(创建枚举类的单例在JVM层面也是能保证线程安全的),这个优秀的思想直接源于Joshua Bloch的《Effective Java》（《Java高效编程指南》）。 所以不需要担心线程安全的问题

这里有几个原因关于为什么在Java中宁愿使用一个枚举量来实现单例模式：

1、 自由序列化；

2、 保证只有一个实例（即使使用反射机制也无法多次实例化一个枚举量）；

3、 线程安全

Junit测试

下面是构建了一个maven项目，然后将设计模式的程序进行分析学习。之后将会把程序源码放到我的github上。

  • Java代码测试如下
import  org.junit.Test;
public class AppTest
{
    @Test
    public void test(){
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println("Singleton Test"+singleton1.hashCode()+"and"+singleton2.hashCode());
        SingletonInnerclass singleton3 = SingletonInnerclass.getInstance();
        SingletonInnerclass singleton4 = SingletonInnerclass.getInstance();
        System.out.print("SingletonInnerclass Test"+singleton3.hashCode()+"and"+singleton4.hashCode());
    }
}
  • maven配置如下
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
  xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 http://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
  <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
  <groupId>com.nezha.dp</groupId>
  <artifactId>dp</artifactId>
  <version>1.0-SNAPSHOT</version>
  <packaging>jar</packaging>
  <name>dp</name>
  <url>http://maven.apache.org</url>
  <properties>
    <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
  </properties>
  <dependencies>
    <!-- https://mvnrepository.com/artifact/junit/junit -->
    <dependency>
      <groupId>junit</groupId>
      <artifactId>junit</artifactId>
      <version>4.11</version>
    </dependency>
  </dependencies>
</project>

参考文献

[1] blog.csdn.net/goodlixueyo…

[2] Freeman E, Freeman E, Sierra K, et al. Head First 设计模式[J]. 2007.

[3] wuchong.me/blog/2014/0…

    原文作者：算法小白
    原文地址: https://juejin.im/entry/5a29218c51882531e944b521
    本文转自网络文章，转载此文章仅为分享知识，如有侵权，请联系博主进行删除。
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