一文带你搞懂Java单例模式

时间:2022-11-05 UnicornLien 人气:0

在创建型设计模式中，我们第一个学习的是单例模式（Singleton Pattern），这是设计模式中最简单的模式之一。

单例是什么意思呢？

单例就是单实例的意思，即在系统全局，一个类只创建一个对象，并且在系统全局都可以访问这个对象而不用重新创建。

一、单例模式的基本写法

单例模式示例代码：

public class Singleton {
 
  //	Singleton类自己持有这个单例对象
   private static Singleton instance = new Singleton();
 
   //	构造方法设置为私有，避免在Singleton类外部创建Singleton对象
   private Singleton() {}
 
   //	提供获取单例对象的静态方法
   public static Singleton getInstance() {
      return instance;
   }
 
   public void hello() {
      System.out.println("Hello!");
   }
}

使用：

Singleton obj = Singleton.getInstance();
obj.hello();

分析SingleObject类的特征：

SingleObject类的构造方法是私有的，这样可以保证只能在SingleObject类内部才能创建对象，而无法在类外部创建SingleObject对象。
SingleObject类中有一个instance成员属性，它用来持有这个SingleObject对象。
SingleObject类提供了一个静态方法getInstance，它可以让我们在任何可以访问到SingleObject类的地方，都可以使用SingleObject.getInstance()来获取到这个SingleObject对象。

二、单例模式的作用

单例模式有什么用呢？

1. 控制对象的数量

当你编写了一个类提供给其他人调用时，对方看到是一个类，很有可能第一反应是尝试new一下。

你自己编写的类你自己是清楚如何使用的，在整个系统内这个类只需要创建一个对象就够了，但对方可能并不清楚。

这时候你可以把这个类编写为单例形式，把构造方法私有化，让对方无法通过new来创建对象，只能使用getInstance来获取。

这个模式可以帮助你有效的控制对象的数量，毕竟，有的类其内部实现复杂，如果频繁创建销毁对象，可能还是很耗费服务器资源的。

2.全局访问

单例模式的特点是单例类自己持有这个单例对象，并且提供一个静态方法可在全局获取到这个单例对象。

如果没有单例模式的情况下，我们一般是在代码A处创建这个对象，在代码B处如果也要使用这个对象，就需要将这个对象进行参数传递。为了避免传来传去，我们可能会写个Holder类，把这个对象放在Holder的成员变量中。

而单例模式的这个优点是，我们可以避免这样的困扰，直接从单例类中获取。

三、单例模式的变种

上面介绍的是单例模式的一种基本写法，实际我们还可以对其进行优化和变种。

1. 饿汉式

基本写法中，对象的创建是直接写在Singleton类的成员属性上的，因此当Singleton类被加载时，就会立即创建Singleton对象，这个写法比较简单，但我们可能并不会马上使用到这个Singleton对象，过早的创建会造成内存资源浪费。

这种一加载类就急于创建对象的写法，我们称之为饿汉式。

如果对内存资源不在意，那么其实饿汉式这个写法也就没什么大的缺点，而且写起来还简单，还是可以用的。

2. 懒汉式(线程不安全)

此变种仅是介绍，不要使用。

既然饿汉式在类加载时就创建对象会造成内存浪费，那么我们把创建对象这个步骤挪到要用时再创建不就好了？

我们要使用对象时，都是通过getInstance方法先获取对象，我们可以在getInstance方法中完成对象创建。

这种需要时再创建的写法，我们称之为懒汉式

示例代码：

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

分析懒汉式(线程不安全)写法的特点：

创建对象的时机修改为了在getInstance内部，需要时再创建，这可以节约系统资源
getInstance方法在多个线程并发调用时，有可能会出现创建了多个实例，所以这算是一个不好的单例变种示范

饿汉式没有多线程并发问题吗？

确实没有，因为饿汉式是在类加载时进行创建对象，类加载classloader是单线程的，不存在这个问题。

3. 懒汉式(线程安全)

此变种仅是介绍，不要使用。

懒汉式(线程不安全)有可能存在并发问题，导致创建多个实例，那么我们给他加上锁不就好了吗？

示例代码：

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

分析懒汉式写法的特点：

由于调用getInstance时如果instance为null会创建对象，如果多个线程同时调用getInstance方法，有可能出现同步问题导致创建多个实例，所以getInstance方法使用了synchronized加锁来保障并发情况下也只会创建一个实例，不过synchronized的粒度较大，如果每次请求都经过getInstance方法，性能影响较大。

4. 双检锁/双重校验锁（DCL，double-checked locking）

懒汉式(线程安全)已经可以达到节省资源的目的，也达到了线程安全的目的，但是使用synchronized加锁对性能有较大影响，双检锁的方式，则是把锁的粒度尽可能降低，减少加锁对性能的影响。

示例代码：

public class Singleton {  
  
    private volatile static Singleton instance;  
  
    private Singleton () {}  
  
    public static Singleton getSingleton() {  
      if (instance == null) {  
          synchronized (Singleton.class) {  
            if (instance == null) {  
                instance = new Singleton();  
            }  
          }  
      }  
      return singleton;  
    }  
}

分析双检锁的写法：

在成员属性instance上，我们增加了volatile关键字，保障多线程对instance值的可见性以及禁止指令重排。
通过双重检查的方式，在内部再进行synchronized加锁，可以降低锁的粒度，有效避免每次调用getInstance都加锁，因为getInstance在创建对象之后，instance一直都是非null的。

双检锁这个方式，既可以保障不浪费资源，又可以保障在多线程的环境下保持高性能。

如果大家自行编写单例类，追求节约资源和高性能，可以使用这种写法，但据《Java并发编程实践》提到不赞成这个写法，推荐静态内部类的方式（这一点我尚未验证）。

5. 静态内部类

这个变种，可以达到和双检锁一样的效果，并且写起来更加简单，推荐使用。

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

分析一下静态内部类的特点：

将instance放在了内部类SingletonHolder中，前面我们提到饿汉式是类加载时就会立即创建对象，而静态内部类不会，它只会在调用了getInstance时，才会加载内部类SingletonHolder，此时才会创建对象。

6. 枚举

这个方式，这里仅是从网上摘抄，据说是很好，但是没有试过，工作中也很少见。

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 JDK1.5 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。

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

7. 登记式

如果熟悉我们封装的工具包Toolbox，就会知道工具包内提供了一个登记式单例工具类Singleton。

单例模式是一种非常常用的设计模式，但以上介绍的各种方法，都需要为每个单例类编写一些模板式的代码，为了简化，我们可以使用Singleton工具类。

//    获取单例对象
//    Student类必须要具备无参构造方法
//    每个类在一个进程中只能获得一个单例对象
Student student = Singleton.get(Student.class);

//    移除单例对象
Singleton.remove(Student.class);

//    清空所有单例对象
Singleton.clear();

//    单例对象数量
int size = Singleton.size();

其实他就是很像是spring容器。

Singleton.java:

/**
 * 单例工具
 * @author Unicorn
 */
public final class Singleton {

    /**
     * 对象池
     */
    private static Map<String, Object> pool = new ConcurrentHashMap();

    private Singleton() {}

    public static <T> T get(Class<T> clazz) {
        Assert.notNull(clazz);
        String key = clazz.getName();
        T obj = (T) pool.get(key);
        if (null == obj) {
            synchronized(Singleton.class) {
                obj = (T) pool.get(key);
                if (null == obj) {
                    obj = ReflectUtil.newInstance(clazz);
                    pool.put(key, obj);
                }
            }
        }
        return obj;
    }

    /**
     * 移除对象
     * @param clazz
     */
    public static void remove(Class clazz) {
        if (null != clazz) {
            String key = clazz.getName();
            pool.remove(key);
        }
    }

    /**
     * 销毁，清空对象池
     */
    public static void clear() {
        pool.clear();
    }

    public static int size() {
        return pool.size();
    }
}

8. Spring容器

spring容器核心机制是IoC和DI，其本身也提供了单例对象的支持。

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