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单例模式 ( Singleton Pattern )

单例模式 ( Singleton Pattern )

单例模式(Singleton Pattern)提供了一种创建对象的最佳方式

单例模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建,这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象

单例模式设计要点

  1. 单例类只能有一个实例
  2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例
  3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例

单例模式属于创建型模式

摘要

  1. 意图:

    保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点

  2. 主要解决:

    一个全局使用的类频繁地创建与销毁

  3. 何时使用:

    当您想控制实例数目,节省系统资源的时候

  4. 如何解决:

    判断系统是否已经有这个单例,如果有则返回,如果没有则创建

  5. 关键代码:

    构造函数是私有的

  6. 应用实例:

    1. 一个党只能有一个主席
    2. Windows 是多进程多线程的,在操作一个文件的时候,就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象,所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行
    3. 一些设备管理器常常设计为单例模式,比如一个电脑有两台打印机,在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件
  7. 优点:

    1. 在内存里只有一个实例,减少了内存的开销,尤其是频繁的创建和销毁实例(比如管理学院首页页面缓存)
    2. 避免对资源的多重占用(比如写文件操作)
  8. 缺点:

    没有接口,不能继承,与单一职责原则冲突,一个类应该只关心内部逻辑,而不关心外面怎么样来实例化

  9. 使用场景:

    1. 要求生产唯一序列号
    2. WEB 中的计数器,不用每次刷新都在数据库里加一次,用单例先缓存起来
    3. 创建的一个对象需要消耗的资源过多,比如 I/O 与数据库的连接等
  10. 注意事项:

    getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化

实现

单例模式

  1. 创建一个 SingleObject 类,SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例 SingleObject 类提供了一个静态方法,供外界获取它的静态实例
  2. SingletonPatternDemo 使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象

范例

1. 创建一个 Singleton 类

SingleObject.java

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public class SingleObject {

//创建 SingleObject 的一个对象
private static SingleObject instance = new SingleObject();

//让构造函数为 private,这样该类就不会被实例化
private SingleObject(){}

//获取唯一可用的对象
public static SingleObject getInstance(){
return instance;
}

public void showMessage(){
System.out.println("Hello World!");
}
}

2. 从 singleton 类获取唯一的对象

SingletonPatternDemo.java

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public class SingletonPatternDemo {
public static void main(String[] args) {

//不合法的构造函数
//编译时错误:构造函数 SingleObject() 是不可见的
//SingleObject object = new SingleObject();

//获取唯一可用的对象
SingleObject object = SingleObject.getInstance();

//显示消息
object.showMessage();
}
}

编译运行以上 Java 范例,输出结果如下

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$ javac -d . src/main/cn/twle/gof/SingletonPatternDemo.java
$ java cn.twle.gof.SingletonPatternDemo
Hello World!

单例模式的几种实现方式

1. 懒汉式,线程不安全

  1. 是否 Lazy 初始化:

  2. 是否多线程安全:

  3. 实现难度:

  4. 描述: 这种方式是最基本的实现方式,这种实现最大的问题就是不支持多线程

    因为没有加锁 synchronized,所以严格意义上它并不算单例模式

    这种方式 lazy loading 很明显,不要求线程安全,在多线程不能正常工作

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public class Singleton {  
private static Singleton instance;
private Singleton (){}

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

下面几种都是线程安全的,支持多线程,但是在性能上有所差异

# 2. 懒汉式,线程安全

  1. 是否 Lazy 初始化:

  2. 是否多线程安全:

  3. 实现难度:

  4. 描述:

    这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作,但是,效率很低,99% 情况下不需要同步

    优点:第一次调用才初始化,避免内存浪费

    缺点:必须加锁 synchronized 才能保证单例,但加锁会影响效率。getInstance() 的性能对应用程序不是很关键(该方法使用不太频繁)

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

3. 饿汉式

  1. 是否 Lazy 初始化:

  2. 是否多线程安全:

  3. 实现难度:

  4. 描述: 这种方式比较常用,但容易产生垃圾对象

    优点:没有加锁,执行效率会提高

    缺点:类加载时就初始化,浪费内存。它基于 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,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法, 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果

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

4. 双检锁/双重校验锁(DCL,即 double-checked locking)

  1. JDK 版本: JDK1.5 起
  2. 是否 Lazy 初始化:
  3. 是否多线程安全:
  4. 实现难度: 较复杂
  5. 描述: 这种方式采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。getInstance() 的性能对应用程序很关键
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public class Singleton {  
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}

5. 登记式/静态内部类

  1. 是否 Lazy 初始化:

  2. 是否多线程安全:

  3. 实现难度: 一般

  4. 描述: 这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单

    对静态域使用延迟初始化,应使用这种方式而不是双检锁方式

    这种方式只适用于静态域的情况,双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用

    这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,它跟第 3 种方式不同的是:第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了,那么 instance 就会被实例化(没有达到 lazy loading 效果),而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化

    因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有显示通过调用 getInstance 方法时,才会显示装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance

    想象一下,如果实例化 instance 很消耗资源,所以想让它延迟加载,另外一方面,又不希望在 Singleton 类加载时就实例化,因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的

    这个时候,这种方式相比第 3 种方式就显得很合理

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public class Singleton {  
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

6. 枚举

  1. JDK 版本: JDK1.5 起

  2. 是否 Lazy 初始化:

  3. 是否多线程安全:

  4. 实现难度:

  5. 描述: 这种实现方式还没有被广泛采用,但这是实现单例模式的最佳方法

    它更简洁,自动支持序列化机制,绝对防止多次实例化

    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,而且还自动支持序列化机制,防止反序列化重新创建新的对象,绝对防止多次实例化

    不过,由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性,用这种方式写不免让人感觉生疏,在实际工作中,也很少用

    不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法

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public enum Singleton {  
INSTANCE;
public void whateverMethod() {
}
}

最佳实战

一般情况下,不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式,建议使用第 3 种饿汉方式

只有在要明确实现 lazy loading 效果时,才会使用第 5 种登记方式

如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用第 6 种枚举方式

如果有其他特殊的需求,可以考虑使用第 4 种双检锁方式

我知道是不会有人点的,但万一有人想不开呢?