创建型模式（三）：单例模式
- 1.概念
- 2.案例
- 3.实现方式
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- [3.1 懒汉式，线程不安全](#3.1 懒汉式，线程不安全)
- [3.2 懒汉式，线程安全](#3.2 懒汉式，线程安全)
- [3.3 饿汉式](#3.3 饿汉式)
- [3.4 双检锁/双重校验锁（DCL，Double-Checked Locking）](#3.4 双检锁/双重校验锁（DCL，Double-Checked Locking）)
- [3.5 登记式/静态内部类](#3.5 登记式/静态内部类)
- [3.6 枚举](#3.6 枚举)
1.概念
单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种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。
单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。需要注意的是：
- 单例类只能有一个实例。
- 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
- 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
| 概要 | 说明 |
|---|---|
| 意图 | 确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。 |
| 主要解决 | 频繁创建和销毁全局使用的类实例的问题。 |
| 何时使用 | 当需要控制实例数目，节省系统资源时。 |
| 如何解决 | 检查系统是否已经存在该单例，如果存在则返回该实例；如果不存在则创建一个新实例。 |
| 关键代码 | 构造函数是私有的。 |
| 应用实例 | 1️⃣ 一个班级只有一个班主任。 2️⃣ Windows 在多进程多线程环境下操作文件时，避免多个进程或线程同时操作一个文件，需要通过唯一实例进行处理。 3️⃣ 设备管理器设计为单例模式，例如电脑有两台打印机，避免同时打印同一个文件。 |
| 优点 | 1️⃣ 内存中只有一个实例，减少内存开销，尤其是频繁创建和销毁实例时（如管理学院首页页面缓存）。 2️⃣ 避免资源的多重占用（如写文件操作）。 |
| 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，而不关心实例化方式。 |
| 使用场景 | 1️⃣ 生成唯一序列号。 2️⃣ WEB 中的计数器，避免每次刷新都在数据库中增加计数，先缓存起来。 3️⃣ 创建消耗资源过多的对象，如 I/O 与数据库连接等。 |
| 注意事项 | 1️⃣ 线程安全：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实例被多次创建。 2️⃣ 延迟初始化：实例在第一次调用 getInstance() 方法时创建。 3️⃣ 序列化和反序列化：重写 readResolve 方法以确保反序列化时不会创建新的实例。 4️⃣ 反射攻击：在构造函数中添加防护代码，防止通过反射创建新实例。 5️⃣ 类加载器问题：注意复杂类加载环境可能导致的多个实例问题。 |
单例模式包含以下几个主要角色：
- 单例类：包含单例实例的类，通常将构造函数声明为私有。
- 静态成员变量：用于存储单例实例的静态成员变量。
- 获取实例方法：静态方法，用于获取单例实例。
- 私有构造函数：防止外部直接实例化单例类。
- 线程安全处理：确保在多线程环境下单例实例的创建是安全的。
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2.案例
我们将创建一个 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。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。
- 1️⃣ 创建一个 Singleton 类：
SingleObject.java
java
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!");
}
}- 2️⃣ 从单例类获取唯一的对象：
SingletonPatternDemo.java
java
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();
}
}-
执行程序，输出结果。
Hello World!
3.实现方式
单例模式的实现有多种方式。
3.1 懒汉式，线程不安全
- 是否 Lazy 初始化：是
- 是否多线程安全：否
- 实现难度：易
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。
java
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}3.2 懒汉式，线程安全
- 是否 Lazy 初始化：是
- 是否多线程安全：是
- 实现难度：易
- 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。
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 % 99\% 99% 情况下不需要同步。getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。
java
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}3.3 饿汉式
- 是否 Lazy 初始化：否
- 是否多线程安全：是
- 实现难度：易
- 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。
这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
它基于 classloader 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。
java
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}3.4 双检锁/双重校验锁（DCL，Double-Checked Locking）
- JDK 版本：JDK
1.5起 - 是否 Lazy 初始化：是
- 是否多线程安全：是
- 实现难度：较复杂
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。
java
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;
}
}✨ 为什么使用
volatile关键字修饰了singleton实例变量 ？
singleton = new Singleton(); 这段代码执行时分为三步：
- 1️⃣ 为
singleton分配内存空间 - 2️⃣ 初始化
singleton - 3️⃣ 将
singleton指向分配的内存地址
正常的执行顺序当然是 1、2、3 ，但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1、3、2。单线程环境时，指令重排并没有什么问题；多线程环境时，会导致有些线程可能会获取到还没初始化的实例。例如：线程 A 只执行了 1 和 3 ，此时线程 B 来调用 getSingleton()，发现 singleton 不为空，便获取 singleton 实例，但是其实此时的 singleton 还没有初始化。
解决办法就是加一个 volatile 关键字修饰 singleton，volatile 会禁止 JVM 的指令重排，就可以保证多线程环境下的安全运行。
3.5 登记式/静态内部类
- 是否 Lazy 初始化：是
- 是否多线程安全：是
- 实现难度：一般
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 classloader 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，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 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。
java
public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}3.6 枚举
- JDK 版本：JDK
1.5起 - 是否 Lazy 初始化：否
- 是否多线程安全：是
- 实现难度：易
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 JDK 1.5 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。
java
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void whateverMethod() {
}
}🚀 小结
- 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。