设计模式 —— 单例模式

文章目录

    • 一、单例模式
      • [1.1 单例模式定义](#1.1 单例模式定义)
      • [1.2 单例模式的优点](#1.2 单例模式的优点)
      • [1.3 单例模式的缺点](#1.3 单例模式的缺点)
      • [1.4 单例模式的使用场景](#1.4 单例模式的使用场景)
    • 二、普通案例
      • [2.1 饿汉式单例模式(Eager Initialization Singleton)](#2.1 饿汉式单例模式(Eager Initialization Singleton))
      • [2.2 懒汉式单例模式(Lazy Initialization Singleton)](#2.2 懒汉式单例模式(Lazy Initialization Singleton))
    • 参考资料

本文源代码地址为 java-demos/singeleton-pattern at main · idealzouhu/java-demos (github.com)

一、单例模式

1.1 单例模式定义

单例模式(Singleton Pattern)是一个比较简单的模式,其定义如下:

Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.(确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。)

1.2 单例模式的优点

  • 全局访问:单例对象可以在应用程序的任何地方被访问,而不需要传递对象的引用。这样可以方便地共享对象的状态和功能,简化了对象之间的通信和协作。
  • 节省资源:由于只有一个对象实例存在,可以减少重复创建对象的开销。在需要频繁创建和销毁对象的情况下,单例对象可以显著节省系统资源,提高性能。

1.3 单例模式的缺点

  • 单例模式没有接口,扩展困难
  • 单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑,而不关心它是否是单例的,是不是要单例取决于环境,单例模式把"要单例"和业务逻辑融合在一个类中。

1.4 单例模式的使用场景

在一个系统中,要求一个类有且仅有一个对象,如果出现多个对象就会出现"不良反应",可以采用单例模式,具体的场景如下:

  • 要求生成唯一序列号的环境;
  • 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据,例如一个Web页面上的计数器,可以 不用把每次刷新都记录到数据库中,使用单例模式保持计数器的值,并确保是线程安全的;
  • 创建一个对象需要消耗的资源过多,如要访问IO和数据库等资源;
  • 需要定义大量的静态常量和静态方法(如工具类)的环境,可以采用单例模式(当 然,也可以直接声明为static的方式)。

二、普通案例

实现单例模式的注意事项主要有:

  • 构造函数私有化:限制产生多个对象。
  • 提供静态的访问方法: 用于外部访问唯一的实例
  • 线程安全性 :在懒汉式单例模式中,如果多个线程同时访问 getInstance() 方法并且尝试创建实例,可能会导致创建多个实例。

2.1 饿汉式单例模式(Eager Initialization Singleton)

在饿汉式单例模式中,单例对象在类加载时就已经被初始化,因此不需要担心线程安全问题。

java 复制代码
public class EagerSingleton {
    // 静态成员变量,保存单例对象(final 使对象具备不可变性,从而保证线程安全)
    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

    // 私有构造方法,防止外部实例化
    private EagerSingleton() {}

    // 公共静态方法,返回单例对象
    public static EagerSingleton getInstance() {
        return instance;
    }

    // 示例方法,用于演示单例的行为
    public void doSomething() {
        System.out.println("do something");
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 获取单例对象并调用方法
        EagerSingleton eagerSingleton = EagerSingleton.getInstance();
        eagerSingleton.doSomething();
    }
}

getInstance 是一个公共静态方法,用于返回单例对象。由于 INSTANCE 已经在类加载时初始化,因此这种方法被称为"饿汉式"实现。

2.2 懒汉式单例模式(Lazy Initialization Singleton)

懒汉式单例模式的特点是在需要的时候才创建实例,将实例的初始化延迟到第一次调用的时候。

java 复制代码
public class LazySingleton {
    // 静态成员变量,保存单例对象
    private static LazySingleton instance;

    // 私有构造方法,防止外部实例化
    private LazySingleton() {}

    // 公共静态方法,返回单例对象
    public static LazySingleton getInstance() {
        // 双重检查加锁,线程安全
        if (instance == null) {
            synchronized (LazySingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    // 示例方法,用于演示单例的行为
    public void doSomething() {
        System.out.println("Doing something...");
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 获取单例对象并调用方法
        LazySingleton singleton = LazySingleton.getInstance();
        singleton.doSomething();
    }
}

getInstance() 是一个公共静态方法,用于返回单例对象。该方法利用双重检查锁保证线程安全:

  1. 首先检查 instance 是否为 null,如果是,则进入同步块。大多数情况下,instance 已经被初始化,因此大多数调用都不会进入同步块,从而避免了不必要的同步开销。
  2. 在同步块内再次检查 instance 是否为 null,以确保线程安全地创建单例对象。

参考资料

《设计模式之禅 (第2版)》

Java基础面试题 | 小林coding (xiaolincoding.com)

手摸手实现基础组件模块 (yuque.com)

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