设计模式-单例模式

1.1 单例模式介绍

所谓类的单例设计模式,就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中,对某个类只能存在一个对象实例,并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。

比如 Hibernate 的 SessionFactory,它充当数据存储源的代理,并负责创建 Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的,一般情况下,一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够,这是就会使用到单例模式。

单例模式八种方式

  • 饿汉式 ( 静态常量 )
  • 饿汉式(静态代码块)
  • 懒汉式(线程不安全)
  • 懒汉式(线程安全,同步方法)
  • 懒汉式(线程安全,同步代码块)
  • 双重检查
  • 静态内部类
  • 枚举

1.2 饿汉式(静态常量)

应用实例

步骤如下:

  1. 构造器私有化 (防止 new)
  2. 类的内部创建对象
  3. 向外暴露一个静态的公共方法 getInstance
  4. 代码实现

    public class SingletonDemo01 {
    
        public static void main(String[] args) {
            Singleton01 instance01 = Singleton01.getInstance();
            Singleton01 instance02 = Singleton01.getInstance();
    
            System.out.println(instance01 == instance02); // true
            System.out.println("instance01 hashcode=" + instance01.hashCode());
            System.out.println("instance02 hashcode=" + instance02.hashCode());
        }
    }
    
    /**
     * 饿汉式--静态常量
     */
    class Singleton01 {
    
        // 1.构造方法私有化,外部不能 new
        private Singleton01() {
    
        }
    
        // 2.定义静态变量
        public final static Singleton01 instance = new Singleton01();
    
        // 3.向外暴露一个静态方法
        public static Singleton01 getInstance() {
            return instance;
        }
    }

优缺点说明

  1. 优点:这种写法比较简单,就是在类装载的时候就完成实例化,避免了线程同步问题。
  2. 缺点:在类装载的时候就完成实例化,没有达到 LazyLoading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例,则会造成内存的浪费。
  3. 这种方式基于 classloder 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,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法,但是导致类装载的原因有很多种,因此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 就没有达到 lazyloading 的效果。
  4. 结论:这种单例模式可用,可能造成内存浪费

1.3 饿汉式(静态代码块)

应用实例

public class SingletonDemo02 {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton02 instance01 = Singleton02.getInstance();
        Singleton02 instance02 = Singleton02.getInstance();

        System.out.println(instance01 == instance02); // true
        System.out.println("instance01 hashcode=" + instance01.hashCode());
        System.out.println("instance02 hashcode=" + instance02.hashCode());
    }
}

/**
 * 饿汉式--静态代码块
 */
class Singleton02 {

    // 1.构造方法私有化,外部不能 new
    private Singleton02() {

    }

    // 2.定义静态变量
    public static Singleton02 instance;

    // 3.静态代码块
    static {
        instance = new Singleton02();
    }

    // 4.向外暴露一个静态方法
    public static Singleton02 getInstance() {
        return instance;
    }
}

优缺点说明

  1. 这种方式和上面的方式其实类似,只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中,也是在类装载的时候,就执行静态代码块中的代码,初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
  2. 结论:这种单例模式可用,但是可能造成内存浪费

1.4 懒汉式(线程不安全)

应用实例

public class SingletonDemo03 {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton03 instance01 = Singleton03.getInstance();
        Singleton03 instance02 = Singleton03.getInstance();

        System.out.println(instance01 == instance02); // true
        System.out.println("instance01 hashcode=" + instance01.hashCode());
        System.out.println("instance02 hashcode=" + instance02.hashCode());

    }
}

/**
 * 懒汉式--线程不安全
 */
class Singleton03 {

    // 1.构造方法私有化,外部不能 new
    private Singleton03() {

    }

    // 2.创建静态常量
    private static Singleton03 instance;

    // 3.创建静态方法,供外部调用,当需要实例时,才去创建 instance
    public static Singleton03 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton03();
        }

        return instance;
    }

}

优缺点说明

  1. 起到了 LazyLoading 的效果,但是只能在单线程下使用。
  2. 如果在多线程下,一个线程进入了 if(singleton==null) 判断语句块,还未来得及往下执行,另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例,造成线程不安全,所以在多线程环境下不可使用这种方式。
  3. 结论:在实际开发中,不要使用这种方式.

1.5 懒汉式(线程安全,同步方法)

应用实例

public class SingletonDemo04 {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton04 instance01 = Singleton04.getInstance();
        Singleton04 instance02 = Singleton04.getInstance();

        System.out.println(instance01 == instance02); // true
        System.out.println("instance01 hashcode=" + instance01.hashCode());
        System.out.println("instance02 hashcode=" + instance02.hashCode());

    }
}

/**
 * 懒汉式--线程安全
 */
class Singleton04{

    // 1.构造方法私有化,外部不能 new
    private Singleton04() {

    }

    // 2.创建静态常量
    private static Singleton04 instance;

    // 3.创建静态方法,供外部调用,当需要实例时,才去创建 instance
    // 4.加入 synchronized 关键字,解决线程不完全问题
    public static synchronized Singleton04 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton04();
        }

        return instance;
    }

}

优缺点说明

  1. 解决了线程安全问题。
  2. 效率太低了,每个线程在想获得类的实例时候,执行 getInstance() 方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了,后面的想获得该类实例,直接return就行了。方法进行同步效率太低。
  3. 结论:在实际开发中,不推荐使用这种方式

1.6 懒汉式(线程安全,同步代码块)

应用实例

public class SingletonDemo05 {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton05 instance01 = Singleton05.getInstance();
        Singleton05 instance02 = Singleton05.getInstance();

        System.out.println(instance01 == instance02); // true
        System.out.println("instance01 hashcode=" + instance01.hashCode());
        System.out.println("instance02 hashcode=" + instance02.hashCode());

    }
}

/**
 * 懒汉式--线程安全--同步代码块
 */
class Singleton05{

    // 1.构造方法私有化,外部不能 new
    private Singleton05() {

    }

    // 2.创建静态常量
    private static Singleton05 instance;

    // 3.创建静态方法,供外部调用,当需要实例时,才去创建 instance
    // 4.使用同步代码块
    public static Singleton05 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton05.class) {
                instance = new Singleton05();
            }
        }

        return instance;
    }

}

优缺点说明

  1. 结论:在实际开发中,不能使用这种方式

1.7 双重检查

应用实例

public class SingletonDemo06 {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton06 instance01 = Singleton06.getInstance();
        Singleton06 instance02 = Singleton06.getInstance();

        System.out.println(instance01 == instance02); // true
        System.out.println("instance01 hashcode=" + instance01.hashCode());
        System.out.println("instance02 hashcode=" + instance02.hashCode());
    }
}

/**
 * 双重检查
 */
class Singleton06 {

    // 1.构造方法私有化,外部不能直接 new
    private Singleton06 () {

    }

    // 2.创建静态常量
    private static Singleton06 instance;

    // 3.提供静态方法,供外部调用
    // 4.使用双重检查,即实现了懒加载的效果,又保证了线程安全,推荐使用
    public static Singleton06 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton06.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton06();
                }

                return instance;
            }
        }

        return instance;
    }
}

优缺点说明

  1. Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的,如代码中所示,我们进行了两次 if(singleton==null) 检查,这样就可以保证线程安全了。
  2. 这样,实例化代码只用执行一次,后面再次访问时,判断 if(singleton==null) ,直接 return 实例化对象,也避免的反复进行方法同步。
  3. 线程安全、延迟加载、效率较高。
  4. 结论:在实际开发中,推荐使用这种单例设计模式

1.8 静态内部类

应用实例

public class SingletonDemo07 {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton07 instance01 = Singleton07.getInstance();
        Singleton07 instance02 = Singleton07.getInstance();

        System.out.println(instance01 == instance02); // true
        System.out.println("instance01 hashcode=" + instance01.hashCode());
        System.out.println("instance02 hashcode=" + instance02.hashCode());
    }
}

/**
 * 使用静态内部类的方式实现单例模式
 */
class Singleton07 {

    // 1.构造方法私有化,外部不能直接 new
    private Singleton07() {

    }

    // 2.创建一个静态内部类
    private static class Singleton07Instance {
        private static final Singleton07 INSTANCE = new Singleton07();
    }

    // 3.创建一个静态方法,供外部调用
    // 4.JVM 在加载类的时候不会加载静态内部类,在使用到静态内部类的时候才会加载,这样既保证了懒加载的效果,又保证了线程安全
    public static Singleton07 getInstance() {
        return Singleton07Instance.INSTANCE;
    }
}

优缺点说明

  1. 这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
  2. 静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化,而是在需要实例化时,调用 getInstance 方法,才会装载 SingletonInstance 类,从而完成 Singleton 的实例化。
  3. 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,所以在这里,JVM 帮助我们保证了线程的安全性,在类进行初始化时,别的线程是无法进入的。
  4. 优点:避免了线程不安全,利用静态内部类特点实现延迟加载,效率高
  5. 结论:推荐使用

1.9 枚举

应用实例

public class SingletonDemo08 {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton08 instance01 = Singleton08.INSTANCE;
        Singleton08 instance02 = Singleton08.INSTANCE;

        System.out.println(instance01 == instance02); // true
        System.out.println("instance01 hashcode=" + instance01.hashCode());
        System.out.println("instance02 hashcode=" + instance02.hashCode());
    }
}

/**
 * 使用枚举的方式实现单例模式
 */
enum Singleton08 {

    INSTANCE;

}

优缺点说明

  1. 这借助 JDK 1.5 中添加的枚举来实现单例模式,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。
  2. 这种方式是 EffectiveJava 作者 JoshBloch 提倡的方式。
  3. 结论:推荐使用

1.10 单例模式在JDK应用的源码分析

  1. JDK 中,java.lang.Runtime 就是经典的单例模式(饿汉式)
  2. 代码分析 + Debug 源码 + 代码说明

    public class Runtime {
        // 使用静态常量的方式实现单例模式
        private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
    
        /**
         * Returns the runtime object associated with the current Java application.
         * Most of the methods of class Runtime are instance
         * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
         *
         * @return  the Runtime object associated with the current
         *          Java application.
         */
        public static Runtime getRuntime() {
            return currentRuntime;
        }
    
        /** Don't let anyone else instantiate this class */
        private Runtime() {}
    }

1.11 单例模式注意事项和细节说明

  1. 单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象,节省了系统资源,对于一些需要频繁创建销毁的对象,使用单例模式可以提高系统性能
  2. 当想实例化一个单例类的时候,必须要记住使用相应的获取对象的方法,而不是使用 new。
  3. 单例模式使用的场景:需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即:重量级对象),但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、 session 工厂等)。

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