【Java】单例模式详解与实践

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单例模式 Singleton是一种常用的软件模式，确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问方法来获取这个实例。这种模式广泛应用于需要控制实例化次数的场景，如数据库连接池、配置管理、日志记录等。本文我们将重点讨论懒汉模式的实现.

单例模式的常用实现方式

饿汉模式：当你使用搜索引擎搜索词条时,不论你是否上下浏览或者翻页,搜索引擎将加载全部的搜索结果,此时在类加载时就完成了实例化。通常这种模式比较消耗资源和时间.

懒汉模式：当你使用搜索引擎搜索词条时,浏览器只会加载当前屏幕页面所能展示内容的上限.只有当你上下浏览,缩放或者进行翻页操作时,才会加载更多结果.这就是在需要时才创建实例。这样做可以加快加载速度,节省了时间和资源.

饿汉模式单例实现

java 复制代码

//饿汉模式实现的基本单例模式

class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    // 单例模式的最关键部分.
    private Singleton() { }
}

private SingletonLazy() { } 这行代码的作用是定义一个私有的构造函数。这是实现单例模式的一个关键步骤，具体作用如下：

限制实例化 ：通过将构造函数设置为私有（private），可以防止外部代码通过new关键字直接创建该类的实例。这样可以确保只有单例类自己能够创建其对象，控制了实例的创建过程。

保证唯一性：单例模式的核心目标是确保一个类只有一个实例。通过私有化构造函数，可以防止外部通过构造函数创建多个实例，保证了实例的唯一性。

控制创建时机 ：在单例模式中，通常在内部提供一种特殊的方法（如getInstance()）来控制实例的创建时机。这意味着实例的创建可以被延迟，直到真正需要时才进行，这有助于优化资源的使用。

封装和安全性：私有构造函数还有助于封装类的实现细节，确保类的用户不能改变实例的创建方式，增加了代码的安全性。

在单例模式的实现中，私有构造函数通常与静态方法（如getInstance()）结合使用，该静态方法负责检查是否已经存在一个实例，如果不存在，则创建一个新实例并返回。这样，无论何时何地调用getInstance()，都只会得到同一个实例。

懒汉模式单例实现

java 复制代码

class SingletonLazy {
    // 此处先把这个实例的引用设为 null, 先不着急创建实例.
    private static SingletonLazy instance = null;

    public static SingletonLazy getInstance() {

                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
     
        return instance;
    }

    private SingletonLazy() { }
}

在这个懒汉模式单例的基本实现中,其实存在着严重的线程安全问题 !

在多线程环境下，如果两个或更多的线程同时执行getInstance()方法，并且此时instance变量为null，那么每个线程都可能看到instance是null，并且每个线程都可能创建一个新的实例。这样就违背了单例模式的原则，即只创建一个实例。为了确保线程安全,我们必须采取措施:

java 复制代码

class SingletonLazy {
    // 此处先把这个实例的引用设为 null, 先不着急创建实例.
    private static volatile SingletonLazy instance = null;
    private static Object locker = new Object();

    public static SingletonLazy getInstance() {
        // 在这个条件中判定当前是否应该要加锁.
        if (instance == null) {
            synchronized (locker) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private SingletonLazy() { }
}

关键点解释

volatile关键字：确保多线程环境下的可见性和禁止指令重排序。

双重校验锁 ：第一次检查instance是否为null，避免不必要的同步；第二次检查确保只有一个实例被创建。

同步块：确保只有一个线程可以进入创建实例的代码块。

测试单例

验证创建的单例对象是否为同一对象:

java 复制代码

public class Demo16 {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

单例模式总结

控制实例化次数：节约资源，提高性能。

全局访问点：便于管理和访问。

全局状态：可能导致代码难以测试和维护。

线程安全问题：需要额外处理多线程环境下的同步问题。

通过本文的介绍，我们了解了单例模式的理论基础、实现方式、线程安全问题。掌握单例模式不仅能够帮助我们写出更高效、更优雅的代码，还能够提升我们的系统设计能力。在未来的开发工作中，合理运用单例模式，将使我们的设计更加成熟和稳定。

希望这篇博客能为你理解单例模式提供一些帮助。

如有不足之处请多多指出。

我是高耳机。