Java設計模式【單例模式】

單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是一種創(chuàng)建型設計模式，其主要目的是確保一個類只有一個實例，并提供對該實例的唯一訪問點。

優(yōu)缺點

優(yōu)點:

1. 提供了對唯一實例的受控訪問。

2. 由于在系統(tǒng)內(nèi)存中只存在一個對象，因此可以節(jié)約系統(tǒng)資源。

缺點：

1. 單例類的擴展有很大的困難。

2. 單例類的職責過重，在一定程度上違背了“單一職責原則”。

3. 對象生命周期。 單例模式?jīng)]有提出對象的銷毀，在提供內(nèi)存的管理的開發(fā)語言中，只有單例模式對象自己才能將對象實例銷毀，因為只有它擁有對實例的引用。 在各種開發(fā)語言中，比如C++，其他類可以銷毀對象實例，但是這么做將導致單例類內(nèi)部的指針指向不明。

單例模式的使用

餓漢模式

1. 靜態(tài)成員變量

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

    //初始化實例對象
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    //私有化構(gòu)造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供獲取實例對象方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

2. 靜態(tài)代碼塊

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

    //實例對象
    private static final Singleton instance;

    static {
        instance = new Singleton();
    }

    //私有化構(gòu)造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供獲取實例對象方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

餓漢式單例的寫法適用于單例對象較少的情況，這樣寫可以保證絕對的線程安全，執(zhí)行效率比較高。但是缺點也很明顯，餓漢式會在類加載的時候就將所有單例對象實例化，這樣系統(tǒng)中如果有大量的餓漢式單例對象的存在，系統(tǒng)初始化的時候會造成大量的內(nèi)存浪費，換句話說就是不管對象用不用，對象都已存在，占用內(nèi)存。

懶漢模式

public class Singleton {

    //實例對象
    private static Singleton instance;

    //私有化構(gòu)造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供獲取實例對象方法(線程安全)
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

線程安全的一種懶漢式寫法，在類第一次使用的時候初始化，獲取實例的靜態(tài)方法由synchronized修飾，所以是線程安全的。這種方法每次獲取實例對象都加鎖同步，效率較低。

雙重檢測機制（DCL）

public class Singleton {

    //實例對象
    private static volatile Singleton instance;

    //私有化構(gòu)造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供獲取實例對象方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            //加鎖處理
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance==null) {
                    //初始化
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

實例對象必須用 volatile 修飾，否則極端情況可能出現(xiàn)安全隱患。

以上初始化對象代碼被編譯后會變成以下三條指令：

1. 分配對象的內(nèi)存空間。

2. 初始化對象。

3. 設置instance指向剛才分配的內(nèi)存空間。

如果按照上面的執(zhí)行順序則不加volatile沒有問題，但是CPU或編譯器為了提高效率，可能會進行指令重排，最終順序變?yōu)椋?/p>

1. 分配對象的內(nèi)存空間。

2. 設置instance指向剛才分配的內(nèi)存空間。

3. 初始化對象。

當兩個線程同時獲取實例對象時，線程A已經(jīng)將instance指向分配空間但未初始化對象，線程B此時第一次判空已不為空，于是返回instance實例，但是此時返回的實例未初始化會導致后續(xù)空指針異常。

DCL這種方式同樣也是類第一次使用的時候初始化，初始化代碼synchronized修飾線程安全，這種方式只會第一次實例對象才會進行同步，因此效率高。

《Java Concurrency in Practice》作者Brian Goetz在書中提到關(guān)于DCL的觀點：促使DCL模式出現(xiàn)的驅(qū)動力（無競爭同步的執(zhí)行速度很慢，以及JVM啟動時很慢）已經(jīng)不復存在，因而它不是一種高效的優(yōu)化措施。延遲初始化占位類模式（靜態(tài)內(nèi)部類）能帶來同樣的優(yōu)勢，并且更容易理解。

靜態(tài)內(nèi)部類（延遲初始化）

public class Singleton {

    //私有化構(gòu)造方法
    private Singleton(){}

    //靜態(tài)內(nèi)部類（被調(diào)用時加載）
    private static class SingletonHandle {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }

    //提供獲取實例對象方法
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHandle.instance;
    }

}

利用靜態(tài)內(nèi)部類被調(diào)用時才加載的特性，通過靜態(tài)初始化初始Singleton對象，由于JVM將在初始化期間獲得一個鎖，并且每個線程都至少獲取一次這個鎖以確保這個類已經(jīng)加載，因此在靜態(tài)初始化期間，內(nèi)存寫入操作將自動對所有線程可見。因此無論是在被構(gòu)造期間還是被引用時，靜態(tài)初始化的對象都不需要顯式的同步。

線程安全，效率高，使用的時候才會初始化不浪費內(nèi)存。

《Java Concurrency in Practice》作者Brian Goetz 推薦這種單例實現(xiàn)方式。

枚舉實現(xiàn)方式

除了以上幾種常見的實現(xiàn)方式之外，Google 首席 Java 架構(gòu)師、《Effective Java》一書作者、Java集合框架的開創(chuàng)者Joshua Bloch在Effective Java一書中提到：單元素的枚舉類型已經(jīng)成為實現(xiàn)Singleton的最佳方法。

在這種實現(xiàn)方式中，既可以避免多線程同步問題；還可以防止通過反射和反序列化來重新創(chuàng)建新的對象。

public class Singleton {

    //私有化構(gòu)造方法
    private Singleton() {}

    enum SingletonEnum {
        SINGLETON;
        private final Singleton instance;

        SingletonEnum() {
            instance = new Singleton();
        }
        //提供獲取實例對象方法
        public Singleton getInstance() {
            return instance;
        }
    }

}

調(diào)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);
    }

普通的單例模式是可以通過反射和序列化/反序列化來破解的，jvm虛擬機會保證枚舉類型不能被反射并且構(gòu)造函數(shù)只被執(zhí)行一次，而Enum由于自身的特性問題，是無法破解的。當然，由于這種情況基本不會出現(xiàn)，因此我們在使用單例模式的時候也比較少考慮這個問題。

總結(jié)

由于單例模式的枚舉實現(xiàn)代碼比較簡單，而且又可以利用枚舉的特性來解決線程安全和單一實例的問題，還可以防止反射和反序列化對單例的破壞，因此在很多書和文章中都強烈推薦將該方法作為單例模式的最佳實現(xiàn)方法。

參考：單例模式詳解(知乎文章)

補充說明

后續(xù)會依次更新 詳解java 23種設計模式，歡迎關(guān)注、交流、補充相關(guān)內(nèi)容（如下）。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-440825.html

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