java设计模式-单例模式

定义

单例模式是一种创建模式,指某个类如果采用了单例模式,则在这个类被创建后,只能产生一个实例可供外部访问,并且提供一个全局的访问点。

核心内容为:

  1. 将采用单例设计模式的类的构造方法私有化(采用private修饰)。
  2. 在其内部产生该类的实例化对象,并将其封装成private static类型。
  3. 定义一个静态方法返回该类的实例。

一、懒汉模式/饱汉模式

/**
 * 懒汉模式,也叫饱汉模式
 * 不安全,在多线程的时候不能正常工作
 */
public class Singleton {
    //定义实例变量,但是不进行初始化
    private static Singleton instance;

    //定义私有构造方法,防止外部调用使用new关键字创建对象
    private Singleton(){}

    //定义静态方法,在方法被调用时进行初始化,但是问题在与多线程环境下,并发调用可能会进行多次初始化,创建多个实例
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优点:懒汉模式的代码书写简单,类Singleton被加载的时候,静态变量instance并未被创建,且未在内存中分配空间。当类中静态方法getInstance被调用时,初始化instance变量,并分配内存,该方法在一定情况下可以节约内存使用。
缺点:多线程并发环境下可能会初始化多个Singleton对象

二、懒汉模式/饱汉模式 简单优化

/**
 * 懒汉模式
 * 实现线程安全的方式
 */
public class Singleton {
    //定义私有实例变量,但是不进行初始化
    private static Singleton instance;

    //定义私有构造方法,防止外部调用使用new关键字创建对象
    private Singleton(){}

    //定义静态方法,使用synchronized提高安全性,确保同一时间只能有一个线程调用此方法进行初始化
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这种实现方式,是基于上一种存在的线程安全问题进行的简单优化,避免在多线程访问时会发生的重复初始化的问题。

优点:在初始化方法中使用synchronized关键字避免在多线程访问时,重复初始化的问题
缺点:同步方法频繁调用时,会有效率过低的问题。

三、饿汉模式

/**
 * 饿汉模式
 * 方法安全,但是效率较低
 */
public class Singleton {
    //定义私有构造方法,防止外部调用使用new关键字创建对象
    private Singleton() {}

    //将自身的实例对象设置为一个属性,并加上static和final修饰符
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    //定义静态方法,返回实例
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

优点:书写简单,不存在多线程同时访问可能会出现的问题,也避免了使用synchronized关键字会出现的性能问题。
缺点:当类被加载的时候,就已经初始化了静态的类的实例,静态变量被初始化并且分配了内存,在类被卸载之前,都将占用内存,即使该类并未被任何线程调用。在该类被卸载时,静态变量被摧毁,并释放占用的内存,因此,这种模式在某些特定情况下会耗费内存。

四、 饿汉模式变种

/**
 * 饿汉模式
 * 方法安全,但是效率较低
 */
public class Singleton {
    //定义私有构造方法,防止外部调用使用new关键字创建对象
    private Singleton() {}

    private static Singleton instance = null;

    //static代码块,在类被加载的时候,就开始执行,且只能执行一次
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    //定义静态方法,返回实例
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

这种实现方式同第三种虽然表面上差别很大,但是实际是一致的

五、 静态内部类实现方式

/**
 * 静态内部类实现方式
 */
public class Singleton {
    private static class SingletonHandle {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    private Singleton() {}

    private static final Singleton getInstence() {
        return SingletonHandle.INSTANCE;
    }
}

这种实现方式在类被加载的时候,并不像是前几种方法一样,直接创建实例,而是在进行调用getInstence()方法后,才创建实例。这种方法适用于某些情况下,创建实例可能会更消耗资源,因此需要在需要的时候再进行实例的创建,避免资源的浪费。显而易见,这种方式并不能适用于我们调用就需要使用实例的情况。

六、 枚举实现

public enum Singleton{
    INSTENCE;
}

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,而且还能防止反序列化重新创建新的对象,可谓是很坚强的壁垒。但是由于enum对象是1.5版本之后才加入的,因此这种方式使用比较生疏,且在日常编程中,较少有人使用。

七、 单例模式最优实现方案

public class Singleton {
    //定义私有构造方法,防止外部调用使用new关键字创建对象
    private Singleton() {}

    //定义私有实例变量,但是不进行初始化,使用volatile保证了多线程访问时instance的可见性,避免instance初始化时其他变量属性还未赋值完时,被另外的线程调用
    private static volatile Singleton instance;

    //定义静态的公开初始化实例方法
    public static Singleton getInstance() {
        //实例是否已经初始化,如果实例已经初始化,不使用同步代码块,直接返回实例,提高效率,
        if (instance == null) {
            //如果实例还未初始化,同步代码块,保证多线程请求情况下,对象被初始化一次后,不再被重复初始化
            synchronized (Singleton.class) {
                //如果实例还未初始化,则初始化实例
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种模式为单例模式最佳实现方案,内存占用率低,在需要的时候才进行实例的初始化,且通过使用synchronized关键字进行同步代码块,避免多线程访问时实例重复初始化的问题,更安全。

其实可以通过使用反射的方式,调用类中的私有构造方法,此时基本上所有的单例模式都会失效。
本文章不讨论反射情况下单例模式的问题,默认没有反射,此文章主要针对面试时可能会提问到的内容。

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