设计模式之单例模式

单例模式

单列模式有哪几种？

一共有 8 种：

加粗字体代表推荐使用，注意使用 饿汉式 时需确保会使用到实例，否则可能会造成内存浪费

1. 饿汉式 - 两种
   • 饿汉式（静态常量）
   • 饿汉式（静态代码块）
2. 懒汉式 - 三种
   • 懒汉式（线程不安全）
   • 懒汉式（线程安全，同步方法）
   • 懒汉式（线程安全，同步代码块）
3. 双重检查
4. 静态内部类
5. 枚举

1、饿汉式（静态常量）（可用）

步骤如下

1. 构造器私有化（防止 new）
2. 类的内部创建对象
3. 向外暴露一个静态的公共方法。getInstance()

代码实现

/**
 * 饿汉式(静态变量) -- 常用（需保证实例会使用到，否则会造成内存浪费）
 *
 * @author chenmeng
 */
public class SingletonTest01 {

    public static void main(String[] args) {
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }

}

// 饿汉式(静态变量) -- 常用（需保证实例会使用到，否则会造成内存浪费）
// 优点：简单且线程安全。
// 缺点：即使不需要也会立即加载实例，可能会浪费资源。
class Singleton {

    // 1. 构造器私有化, 防止直接new
    private Singleton() {

    }

    // 2.本类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton();

    // 3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

优缺点说明

• 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。
• 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
• 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
• 结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

2、饿汉式（静态代码块）（可用）

代码实现

// 饿汉式(静态代码块) -- 常用（也可能会造成内存浪费）
class Singleton {

    // 1. 构造器私有化, 防止直接new
    private Singleton() {

    }

    // 2.本类内部创建对象实例
    private static Singleton instance;

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

    // 3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

优缺点说明

• 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。
• 结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

3、懒汉式（线程不安全）

代码实现

// 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

• 起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用
• 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
• 结论：在实际开发中，不要使用这种方式

4、懒汉式（线程安全，同步方法）

代码实现

// 懒汉式(线程安全，同步方法，效率太低)
class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    // 提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，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

• 解决了线程安全问题
• 效率太低 了，每个线程在想获得类的实例时候，执行 getInstance() 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
• 结论 ：在实际开发中，不推荐使用这种方式

5、懒汉式（线程不安全，同步代码块）

代码实现

// 懒汉式(线程不安全，同步代码块)
class Singleton {
    private static Singleton instance;

    // 构造器私有化, 防止直接new
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            // 同步代码块（可能会创建多个实例）
            synchronized (Singleton.class) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明

不能完全保证线程安全，并且存在性能问题。

问题分析

1. 初始化过程中的竞态条件：

   • 在 getInstance 方法中，当多个线程同时进入 if (instance == null) 检查时，可能会有多个线程都通过了这个检查。
   • 即使只有一个线程能够成功创建实例（由于 synchronized 块），其他线程也会再次尝试创建实例，导致多次实例化。

2. 非原子操作：

   • 创建对象的过程不是原子操作。

     instance = new Singleton();

     这一行代码实际上包含三个步骤：

     1. 分配内存空间。
     2. 初始化对象。
     3. 将 instance 指向分配的内存空间。

   • 由于 JVM 的指令重排序优化，这三个步骤可能不会按顺序执行。这可能导致其他线程看到一个未完全初始化的对象。

不推荐的原因

1. 线程不安全 ：
   • 上述问题会导致多个线程同时创建多个实例，违反了单例模式的原则。
2. 性能问题 ：
   • 使用 synchronized 块会带来性能开销，尤其是在高并发情况下。

6、双重检查锁定（推荐）

代码实现

// 双重检查锁定（Double-Checked Locking）
// 优点：线程安全；延迟加载，效率较高
// 缺点：实现稍微复杂一些，需要使用 volatile 关键字来防止指令重排序，确保可见性。
class Singleton {

    // 使用 volatile 关键字来防止指令重排序，确保可见性
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    // 提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题
    // 同时保证了效率, 推荐使用

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 第一次检查：避免不必要地同步。
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) { // 第二次检查：确保只创建一个实例。
                    instance = new Singleton();
                }
            }

        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明

• 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 == null) 检查，这样就可以保证线程安全了。
• 这样，实例化代码只用执行一次 （延迟初始化 - 懒加载），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（性能较高）
• 优点：线程安全；延迟加载，效率较高
• 缺点 ：实现稍微复杂一些，需要使用 volatile 关键字来防止指令重排序，确保可见性。
• 结论 ：在实际开发中，推荐使用这种单例设计棋式

7、静态内部类（推荐）

代码实现

// 静态内部类完成， 推荐使用
class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    // 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（不会立即实例化）
    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 synchronized Singleton getInstance() {

        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

优缺点说明

• 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。
• 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.
• 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。
• 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
• 结论：推荐使用

8、枚举（推荐）

代码实现

// 使用枚举，可以实现单例, 推荐
// 枚举类只会装载一次，而且只会装载一次，枚举类是单例的
enum Singleton {
    INSTANCE; // 属性

    public void sayOK() {
        System.out.println("ok~");
    }
}

优缺点说明

• 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。
• 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式
• 结论：推荐使用

单例模式在 JDK 应用的源码分析

在 JDK 中，java.lang.Runtime 就是经典的单例模式（饿汉式 - 静态常量）

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

    private static Version version;

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

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}
  
    // ....
}

单例模式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 ：
   • 需要频繁进行创建和销毁的对象：如果一个对象需要频繁地创建和销毁，使用单例模式可以避免这种开销。
   • 创建对象时耗时过多或耗费资源过多（即：重量级对象）：对于创建过程耗时或耗费大量资源的对象，使用单例模式可以确保只创建一次实例，并在需要时重复使用。
   • 工具类对象 ：工具类对象 通常不需要多个实例，使用单例模式可以方便管理和使用。
   • 频繁访问数据库或文件的对象 ：例如 数据源、session工厂 等，这些对象通常需要频繁访问外部资源，使用单例模式可以减少资源消耗并提高性能。