单例设计模式

• 核心作用:

– 保证一个类只有一个实例,并且提供一个访问该实例的全局访问点。

• 常见应用场景:

– Windows的Task Manager(任务管理器)就是很典型的单例模式
– windows的Recycle Bin(回收站)也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中,回收站一直维护着仅有的一个实例。
– 项目中,读取配置文件的类,一般也只有一个对象。没有必要每次使用配置文件数据,每次new一个对象去读取。
– 网站的计数器,一般也是采用单例模式实现,否则难以同步。
– 应用程序的日志应用,一般都何用单例模式实现,这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态,因为只能有一个实例去操作,否则内容不好追加。
– 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式,因为数据库连接是一种数据库资源。
– 操作系统的文件系统,也是大的单例模式实现的具体例子,一个操作系统只能有一个文件系统。
– Application 也是单例的典型应用(Servlet编程中会涉及到)
– 在Spring中,每个Bean默认就是单例的,这样做的优点是Spring容器可以管理
– 在servlet编程中,每个Servlet也是单例
– 在spring MVC框架/struts1框架中,控制器对象也是单例

• 单例模式的优点:

– 由于单例模式只生成一个实例,减少了系统性能开销,当一个对象的产生需要
比较多的资源时,如读取配置、产生其他依赖对象时,则可以通过在应用启动
时直接产生一个单例对象,然后永久驻留内存的方式来解决
– 单例模式可以在系统设置全局的访问点,优化环共享资源访问,例如可以设计
一个单例类,负责所有数据表的映射处理

• 常见的五种单例模式实现方式:

主要:
• 饿汉式(线程安全,调用效率高。 但是,不能延时加载。)
• 懒汉式(线程安全,调用效率不高。 但是,可以延时加载。)
其他:
• 双重检测锁式(由于JVM底层内部模型原因,偶尔会出问题。不建议使用)
• 静态内部类式(线程安全,调用效率高。 但是,可以延时加载)
• 枚举单例(线程安全,调用效率高,不能延时加载)

• 饿汉式实现(单例对象立即加载)

public class SingletonDemo02 {
    private static /*final*/ SingletonDemo02 s = new SingletonDemo02();
    private SingletonDemo02(){} //私有化构造器
    public static /*synchronized*/ SingletonDemo02 getInstance(){
        return s;
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo02 s = SingletonDemo02.getInstance();
        SingletonDemo02 s2 = SingletonDemo02.getInstance();
        System.out.println(s==s2); //结果为true
    }
}

• 饿汉式单例模式代码中,static变量会在类装载时初始化,此时也不会涉及多个线程对象访问该对象的问
题。虚拟机保证只会装载一次该类,肯定不会发生并发访问的问题。因此,可以省略synchronized关键字。
问题:
如果只是加载本类,而不是要调用getInstance(),甚至永远没有调用,则会造成资源浪费!

• 懒汉式实现(单例对象延迟加载)

public class SingletonDemo01 {
    private static SingletonDemo01 s;
    private SingletonDemo01(){} //私有化构造器
    public static synchronized SingletonDemo01 getInstance(){
        if(s==null){
            s = new SingletonDemo01();
        }
        return s;
    }
}

要点:
– lazy load! 延迟加载, 懒加载! 真正用的时候才加载!
问题:
– 资源利用率高了。但是,每次调用getInstance()方法都要同步,并发
效率较低。

• 双重检测锁实现

public class SingletonDemo03 {
    private static SingletonDemo03 instance = null;
    public static SingletonDemo03 getInstance() {
        if (instance == null) {
            SingletonDemo03 sc;
            synchronized (SingletonDemo03.class) {
                sc = instance;
                if (sc == null) {
                    synchronized (SingletonDemo03.class) {
                        if(sc == null) {
                            sc = new SingletonDemo03();
                        }
                    }
                    instance = sc;
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    private SingletonDemo03() {
    }
}

• 这个模式将同步内容下方到if内部,提高了执行的效率不必每次获取对象时都进行同步,只有第一次才同步创建了以后就没必要了。
问题:
由于编译器优化原因和JVM底层内部模型原因,偶尔会出问题。不建议使用。

• 静态内部类实现方式(也是一种懒加载方式)

public class SingletonDemo04 {
    private static class SingletonClassInstance {
        private static final SingletonDemo04 instance = new SingletonDemo04();
    }
    public static SingletonDemo04 getInstance() {
        return SingletonClassInstance.instance;
    }
    private SingletonDemo04() {
    }
}

要点:
– 外部类没有static属性,则不会像饿汉式那样立即加载对象。
– 只有真正调用getInstance(),才会加载静态内部类。加载类时是线程 安全的。 instance是static final
类型,保证了内存中只有这样一个实例存在,而且只能被赋值一次,从而保证了线程安全性.
– 兼备了并发高效调用和延迟加载的优势!

问题:
– 反射可以破解上面几种(不包含枚举式)实现方式!(可以在构造方法中手动
抛出异常控制)
– 反序列化可以破解上面几种((不包含枚举式))实现方式!
• 可以通过定义readResolve()防止获得不同对象。
– 反序列化时,如果对象所在类定义了readResolve(),(实际是一种回调),
定义返回哪个对象。

public class SingletonDemo01 implements Serializable {
    private static SingletonDemo01 s;
    private SingletonDemo01() throws Exception{
        if(s!=null){
            throw new Exception("只能创建一个对象");
            //通过手动抛出异常,避免通过反射创建多个单例对象!
        }
    } //私有化构造器
    public static synchronized SingletonDemo01 getInstance() throws Exception{
        if(s==null){
            s = new SingletonDemo01();
        }
        return s;
    }
    //反序列化时,如果对象所在类定义了readResolve(),(实际是一种回调),定义返回哪个对象。
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return s;
    }
}

• 使用枚举实现单例模式

public enum SingletonDemo05 {
    /**
     * 定义一个枚举的元素,它就代表了Singleton的一个实例。
     */
    INSTANCE;
    /**
     * 单例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation(){
        //功能处理
    }
}

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo05 sd = SingletonDemo05.INSTANCE;
        SingletonDemo05 sd2 = SingletonDemo05.INSTANCE;
        System.out.println(sd==sd2);
    }

• 优点:
– 实现简单
– 枚举本身就是单例模式。由JVM从根本上提供保障!避免通过反射和反序列化的漏洞!
• 缺点:
– 无延迟加载

• 常见的五种单例模式在多线程环境下的效率测试

单例设计模式 性能
饿汉式 22ms
懒汉式 636ms
静态内部类式 28ms
枚举式 32ms
双重检查锁式 65ms

– 大家只要关注相对值即可。在不同的环境下不同的程序测得值完全不一样
• CountDownLatch
– 同步辅助类,在完成一组正在其他线程中执行的操作之前,它允许一
个或多个线程一直等待。
• countDown() 当前线程调此方法,则计数减一(建议放在 finally里执行)
• await(), 调用此方法会一直阻塞当前线程,直到计时器的值为0

常见的五种单例模式实现方式
– 主要:
• 饿汉式(线程安全,调用效率高。 但是,不能延时加载。)
• 懒汉式(线程安全,调用效率不高。 但是,可以延时加载。)
– 其他:
• 双重检测锁式(由于JVM底层内部模型原因,偶尔会出问题。不建议使用)
• 静态内部类式(线程安全,调用效率高。 但是,可以延时加载)
• 枚举式(线程安全,调用效率高,不能延时加载。并且可以天然的防止反射和反序列
化漏洞!)
• 如何选用?
– 单例对象 占用 资源 少,不需要 延时加载:
• 枚举式 好于 饿汉式
– 单例对象 占用 资源 大,需要 延时加载:
• 静态内部类式 好于 懒汉式

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