Java單例模式

單例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最簡單的設(shè)計(jì)模式之一。這種類型的設(shè)計(jì)模式屬于創(chuàng)建型模式，它提供了一種創(chuàng)建對象的最佳方式。

這種模式涉及到一個(gè)單一的類，該類負(fù)責(zé)創(chuàng)建自己的對象，同時(shí)確保只有單個(gè)對象被創(chuàng)建。這個(gè)類提供了一種訪問其唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實(shí)例化該類的對象。

注意：

⒈單例類只能有一個(gè)實(shí)例。

⒉單例類必須自己創(chuàng)建自己的唯一實(shí)例。

⒊單例類必須給所有其他對象提供這一實(shí)例。

介紹

意圖：保證一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)。

主要解決：一個(gè)全局使用的類頻繁地創(chuàng)建與銷毀。

何時(shí)使用：當(dāng)您想控制實(shí)例數(shù)目，節(jié)省系統(tǒng)資源的時(shí)候。

如何解決：判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)有這個(gè)單例，如果有則返回，如果沒有則創(chuàng)建。

關(guān)鍵代碼：構(gòu)造函數(shù)是私有的。

應(yīng)用實(shí)例：

⒈一個(gè)班級只有一個(gè)班主任。

⒉Windows 是多進(jìn)程多線程的，在操作一個(gè)文件的時(shí)候，就不可避免地出現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程或線程同時(shí)操作一個(gè)文件的現(xiàn)象，所以所有文件的處理必須通過唯一的實(shí)例來進(jìn)行。

⒊一些設(shè)備管理器常常設(shè)計(jì)為單例模式，比如一個(gè)電腦有兩臺打印機(jī)，在輸出的時(shí)候就要處理不能兩臺打印機(jī)打印同一個(gè)文件。

優(yōu)點(diǎn)：

⒈在內(nèi)存里只有一個(gè)實(shí)例，減少了內(nèi)存的開銷，尤其是頻繁的創(chuàng)建和銷毀實(shí)例(比如管理學(xué)院首頁頁面緩存)。

⒉避免對資源的多重占用(比如寫文件操作)。

缺點(diǎn)：沒有接口，不能繼承，與單一職責(zé)原則沖突，一個(gè)類應(yīng)該只關(guān)心內(nèi)部邏輯，而不關(guān)心外面怎么樣來實(shí)例化。

使用場景：

⒈要求生產(chǎn)唯一序列號。

⒉WEB 中的計(jì)數(shù)器，不用每次刷新都在數(shù)據(jù)庫里加一次，用單例先緩存起來。

⒊創(chuàng)建的一個(gè)對象需要消耗的資源過多，比如 I/O 與數(shù)據(jù)庫的連接等。

注意事項(xiàng)：getInstance() 方法中需要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class) 防止多線程同時(shí)進(jìn)入造成 instance 被多次實(shí)例化。

實(shí)現(xiàn)

我們將創(chuàng)建一個(gè) SingleObject 類。SingleObject 類有它的私有構(gòu)造函數(shù)和本身的一個(gè)靜態(tài)實(shí)例。

SingleObject 類提供了一個(gè)靜態(tài)方法，供外界獲取它的靜態(tài)實(shí)例。SingletonPatternDemo，我們的演示類使用 SingleObject 類來獲取 SingleObject 對象。

步驟 1

創(chuàng)建一個(gè) Singleton 類。

public class SingleObject {
 
   //創(chuàng)建 SingleObject 的一個(gè)對象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
 
   //讓構(gòu)造函數(shù)為 private，這樣該類就不會被實(shí)例化
   private SingleObject(){}
 
   //獲取唯一可用的對象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
 
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

步驟 2

從 singleton 類獲取唯一的對象。

public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //不合法的構(gòu)造函數(shù)
      //編譯時(shí)錯誤：構(gòu)造函數(shù) SingleObject() 是不可見的
      //SingleObject object = new SingleObject();
 
      //獲取唯一可用的對象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 
      //顯示消息
      object.showMessage();
   }
}

步驟 3

執(zhí)行程序，輸出結(jié)果：

Hello World!

單例模式的幾種實(shí)現(xiàn)方式

單例模式的實(shí)現(xiàn)有多種方式，如下所示：

⒈懶漢式，線程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：否

實(shí)現(xiàn)難度：易

描述：這種方式是最基本的實(shí)現(xiàn)方式，這種實(shí)現(xiàn)最大的問題就是不支持多線程。因?yàn)闆]有加鎖 synchronized，所以嚴(yán)格意義上它并不算單例模式。

這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工作。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}

接下來介紹的幾種實(shí)現(xiàn)方式都支持多線程，但是在性能上有所差異。

⒉懶漢式，線程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實(shí)現(xiàn)難度：易

描述：這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。

優(yōu)點(diǎn)：第一次調(diào)用才初始化，避免內(nèi)存浪費(fèi)。

缺點(diǎn)：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。

getInstance() 的性能對應(yīng)用程序不是很關(guān)鍵(該方法使用不太頻繁)。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}

⒊餓漢式

是否 Lazy 初始化：否

是否多線程安全：是

實(shí)現(xiàn)難度：易

描述：這種方式比較常用，但容易產(chǎn)生垃圾對象。

優(yōu)點(diǎn)：沒有加鎖，執(zhí)行效率會提高。

缺點(diǎn)：類加載時(shí)就初始化，浪費(fèi)內(nèi)存。

它基于 classloader 機(jī)制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時(shí)就實(shí)例化，雖然導(dǎo)致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數(shù)都是調(diào)用 getInstance 方法， 但是也不能確定有其他的方式(或者其他的靜態(tài)方法)導(dǎo)致類裝載，這時(shí)候初始化 instance 顯然沒有達(dá)到 lazy loading 的效果。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
    }  
}

⒋雙檢鎖/雙重校驗(yàn)鎖(DCL，即 double-checked locking)

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實(shí)現(xiàn)難度：較復(fù)雜

描述：這種方式采用雙鎖機(jī)制，安全且在多線程情況下能保持高性能。

getInstance() 的性能對應(yīng)用程序很關(guān)鍵。

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;  
    }  
}

⒌登記式/靜態(tài)內(nèi)部類

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實(shí)現(xiàn)難度：一般

描述：這種方式能達(dá)到雙檢鎖方式一樣的功效，但實(shí)現(xiàn)更簡單。對靜態(tài)域使用延遲初始化，應(yīng)使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用于靜態(tài)域的情況，雙檢鎖方式可在實(shí)例域需要延遲初始化時(shí)使用。

這種方式同樣利用了 classloader 機(jī)制來保證初始化 instance 時(shí)只有一個(gè)線程，它跟第 3 種方式不同的是：第 3 種方式只要 Singleton 類被裝載了，那么 instance 就會被實(shí)例化(沒有達(dá)到 lazy loading 效果)，而這種方式是 Singleton 類被裝載了，instance 不一定被初始化。因?yàn)?SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有通過顯式調(diào)用 getInstance 方法時(shí)，才會顯式裝載 SingletonHolder 類，從而實(shí)例化 instance。想象一下，如果實(shí)例化 instance 很消耗資源，所以想讓它延遲加載，另外一方面，又不希望在 Singleton 類加載時(shí)就實(shí)例化，因?yàn)椴荒艽_保 Singleton 類還可能在其他的地方被主動使用從而被加載，那么這個(gè)時(shí)候?qū)嵗?instance 顯然是不合適的。這個(gè)時(shí)候，這種方式相比第 3 種方式就顯得很合理。

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
    return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

⒍枚舉

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多線程安全：是

實(shí)現(xiàn)難度：易

描述：這種實(shí)現(xiàn)方式還沒有被廣泛采用，但這是實(shí)現(xiàn)單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支持序列化機(jī)制，絕對防止多次實(shí)例化。

這種方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多線程同步問題，而且還自動支持序列化機(jī)制，防止反序列化重新創(chuàng)建新的對象，絕對防止多次實(shí)例化。不過，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實(shí)際工作中，也很少用。

不能通過 reflection attack 來調(diào)用私有構(gòu)造方法。

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

經(jīng)驗(yàn)之談：一般情況下，不建議使用第 1 種和第 2 種懶漢方式，建議使用第 3 種餓漢方式。只有在要明確實(shí)現(xiàn) lazy loading 效果時(shí)，才會使用第 5 種登記方式。如果涉及到反序列化創(chuàng)建對象時(shí)，可以嘗試使用第 6 種枚舉方式。如果有其他特殊的需求，可以考慮使用第 4 種雙檢鎖方式。