设计模式-单例模式

盼来一朵云2024-04-15 22:48

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。

单例设计模式的八种方式

  1. 饿汉式(常量，线程安全)
  2. 饿汉式(静态代码块，线程安全)
  3. 懒汉式(线程不安全)
  4. 懒汉式(线程安全，同步方法)
  5. 懒汉式(线程不安全，同步代码块)
  6. 懒汉式(双重检查锁)
  7. 懒汉式(静态内部类)
  8. 枚举

饿汉式(常量，线程安全)

public class SingletonTest01 {

    public static void main(String[] args) {
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        // true 表示两个对象为同一个引用 
        System.out.println(instance1 == instance);
        System.out.println("instance.hashCode() = " + instance.hashCode());
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());
    }
    
}

// 饿汉式(静态变量) // 线程安全
class Singleton {
    // 1.构造器私有化，外部能new
    private Singleton(){
        
    }
    
    // 2在类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton();
    
    // 提供一个公有的静态方法
    public static Singleton 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Lazy Loading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lazy loading的效果
  4. 结论，这种单例模式可用，可能造成内存浪费

饿汉式(静态代码块，线程安全)

public class SingletonTest02 {

    public static void main(String[] args) {
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        // true 表示两个对象为同一个引用 
        System.out.println(instance1 == instance);
        System.out.println("instance.hashCode() = " + instance.hashCode());
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());
    }
    
}

// 饿汉式(静态变量) 线程安全
class Singleton {
    // 1.构造器私有化，外部能new
    private Singleton(){
        
    }


    // 2。在类内部创建对象实例
    private static Singleton instance;

    // 在静态代码块中创建单例对象
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    // 提供一个公有的静态方法
    public static Singleton 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

懒汉式(线程不安全)

public class SingletonTest03 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式1，线程不安全");
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        // true 表示两个对象为同一个引用 
        System.out.println(instance1 == instance);
        System.out.println("instance.hashCode() = " + instance.hashCode());
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());
    }
    
}

// 懒汉式 线程不安全
class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    
    // 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建instance
    // 即懒汉式
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明

  1. 起到了Lazy Loading 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 。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

懒汉式(线程安全，同步方法)

public class SingletonTest04 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式2，线程安全");
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        // true 表示两个对象为同一个引用 
        System.out.println(instance1 == instance);
        System.out.println("instance.hashCode() = " + instance.hashCode());
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());
    }
    
}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    
    // 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建instance，加入同步代码块，解决线程安全问题
    // 即懒汉式
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明

  1. 解决了线程不安全问题
  2. 效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance0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

懒汉式(线程不安全，同步代码块)

public class SingletonTest05 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("懒汉式3，线程不安全");
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        // true 表示两个对象为同一个引用 
        System.out.println(instance1 == instance);
        System.out.println("instance.hashCode() = " + instance.hashCode());
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());
    }
    
}

// 懒汉式(线程不安全，同步方法)
class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}
    
    // 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建instance，加入同步代码块，解决线程安全问题
    // 即懒汉式
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            // 此时可能有多个线程在这等待，等锁释放还是会创建多个实例，所以线程不安全
            synchronized (Singleton.class){
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明

  1. 这种方式，本意是想对第四种实现方式的改进，因为前面同步方法效率太低，改为同步产生实例化的的代码块
  2. 但是这种同步并不能起到线程同步的作用 。跟第3种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了if (singleton == nul)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
  3. 结论:在实际开发中，不能使用这种方式

懒汉式(双重检查锁)

public class SingletonTest06 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("双重检查锁");
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        // true 表示两个对象为同一个引用 
        System.out.println(instance1 == instance);
        System.out.println("instance.hashCode() = " + instance.hashCode());
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());
    }
    
}

// 懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    private Singleton() {}
    
    // 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建instance，加入双重检查锁，加入同步代码块，解决线程安全问题
    // 同时效率较高
    // 即懒汉式
    public static Singleton getInstance(){
        // 双重检查锁
        if (instance == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        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 == nul)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

懒汉式(静态内部类)

public class SingletonTest07 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用静态内部类完成单例模式");
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        // true 表示两个对象为同一个引用 
        System.out.println(instance1 == instance);
        System.out.println("instance.hashCode() = " + instance.hashCode());
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());
    }
    
}

// 静态内部类完成
class Singleton {
    // 构造器私有化
    private Singleton() {}

    // 写一个静态内部类，该类中有一个静态属性 Singleton
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    // 提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonInstance.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

枚举

public class SingletonTest08 {

    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;
        // true 表示两个对象为同一个引用 
        System.out.println(instance1 == instance);
        System.out.println("instance.hashCode() = " + instance.hashCode());
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());
        
        instance.sayOK();
    }
    
}

// 使用枚举，可以实现单例，推荐
enum Singleton {
    INSTANCE; // 属性
    public void sayOK(){
        System.out.println("ok~~");
    }
}

优缺点说明

  1. 这借助JDK1.5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Effective Java作者Josh Bloch提倡的方式
  3. 结论:推荐使用

单例模式在JDK的应用

JDK中，java.lang.Runtime就是经典的单例模式(饿汉式)

因为Runtime创建了是一定会被使用的，所以可以采取饿汉式

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

单例模式的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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