设计模式——单例模式

2023-08-17 / 设计模式

一、前言

由于工作原因，导致我断了一阵子的设计模式学习，今天我们来继续设计模式的学习。今天我们要了解的是单例模式——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。

二、单例模式详解

1、定义

单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

这种模式的类，类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。并且提供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。

2、介绍

意图： 保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点
主要解决： 一个全局使用的类频繁地创建与销毁
何时使用： 当您想控制实例数目，节省系统资源的时候
如何解决： 判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建
关键代码： 构造函数是私有的

2.1、特点

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

2.2、应用实例

一个班级只有一个班主任
Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行
一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件

2.3、优点

在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）
避免对资源的多重占用（比如写文件操作）

2.4、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，而不关心外面怎么样来实例化
也正是因为系统中只有一个实例，这样就导致了单例类的职责过重，违背了“单一职责原则”，同时也没有抽象类，这样扩展起来有一定的困难

2.5、使用场景

要求生产唯一序列号
WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来
创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等

3、UML图

01单例模式.jpg

示例

entity

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!");
    }
}

demo

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 object1 = SingleObject.getInstance();
        SingleObject object2 = SingleObject.getInstance();

        System.out.println(object1);
        System.out.println(object2);
    }
}

结果

02单例模式.jpg

4、单例模式VS静态类

在知道了什么是单例模式后，我想小伙伴们一定会想到静态类，说：“既然只使用一个对象，为何不干脆使用静态类？”，这里我会将单例模式和静态类进行一个比较。

单例可以继承和被继承，方法可以被override，而静态方法不可以
静态方法中产生的对象会在执行后被释放，进而被GC清理，不会一直存在于内存中
静态类会在第一次运行时初始化，单例模式可以有其他的选择，即可以延迟加载
基于2， 3条，由于单例对象往往存在于DAO层（例如sessionFactory），如果反复的初始化和释放，则会占用很多资源，而使用单例模式将其常驻于内存可以更加节约资源
静态方法有更高的访问效率
单例模式很容易被测试

5、单例模式的几种实现方式

5.1、饿汉式

public class HungrySingle {
    private final static HungrySingle instance = new HungrySingle();

    private HungrySingle() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }

    public static HungrySingle getInstance() {
        return instance;
    }
}

歩骤

构造器私有
创建内部对象
写一个静态公共方法

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
没有任何锁，执行效率高，用户体验比懒汉式单例模式更好

缺点

在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading（延迟加载）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

建议

适用于单例模式较少的场景
如果我们在程序启动后，一定会加载到类，那么用饿汉模式实现的单例简单又实用
如果我们是写一些工具类，则优先考虑使用懒汉模式，可以避免提前被加载到内存中，占用系统资源

5.2、懒汉式

懒汉式（普通，线程不安全）

public class UnsafeLazySingle {
    private static UnsafeLazySingle instance;

    private UnsafeLazySingle() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }

    public static UnsafeLazySingle getInstance() {
        if (null == instance) {
            instance = new UnsafeLazySingle();
        }
        return instance;
    }
}

优点

起到了 Lazy Loading（延迟加载）的效果，但是只能在单线程下使用

缺点

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

建议

多线程不能用

懒汉式（同步方法，线程安全）

class LazySingleF{
    private static LazySingleF instance;

    private LazySingleF(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }

    public static synchronized LazySingleF getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleF();
        }
        return instance;
    }
}

优点

解决了线程安全问题

缺点

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

建议

在实际开发中，不推荐使用这种方式

懒汉式（同步代码块，线程不安全）

class LazySingleB{
    private static LazySingleB instance;

    private LazySingleB() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }

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

缺点

不能线程同步。假如一个线程进入了if (instance == null)，还未来得及执行，另一个线程也通过了这个判断语句，会产生多个实例
效率很低

建议

多线程不能使用

懒汉式（双重检查，线程安全）（Double Check Lock(DCL)）

class LazySingleD{
    private volatile static LazySingleD instance;

    private LazySingleD() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }

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

优点

线程安全；延迟加载；效率较高
Double-Check Lock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，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。

缺点

相比单锁而言，双重检查锁性能上虽然有提升，但是依旧用到了synchronized关键字总归要上锁，对程序性能还是存在一定的性能影响。注意里面volatile的使用！！！

建议

在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

注意

由于jvm存在乱序执行功能，DCL也会出现线程不安全的情况。具体分析如下：

INSTANCE  = new SingleTon();

这个步骤，其实在jvm里面的执行分为三步：

在堆内存开辟内存空间
在堆内存中实例化SingleTon里面的各个参数
把对象指向堆内存空间

由于jvm存在乱序执行功能，所以可能在2还没执行时就先执行了3，如果此时再被切换到线程B上，由于执行了3，INSTANCE 已经非空了，会被直接拿出来用，这样的话，就会出现异常。这个就是著名的DCL失效问题。

不过在JDK1.5之后，官方也发现了这个问题，故而具体化了volatile，即在JDK1.6及以后，只要定义为

private volatile static LazySingleD instance;

就可解决DCL失效问题。volatile的内存栅栏功能，告知编译器的在标记的变量前后不使用优化功能，禁止指令重排序。

5.3、内部静态类

class InnerClass {
    private InnerClass() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
    private static class InnerClassHolder {
        private static InnerClass instance = new InnerClass();
    }
    public static InnerClass getInstance() {
        return InnerClassHolder.instance;
    }
}

优点

外部类加载时并不需要立即加载内部类，内部类不被加载则不去初始化INSTANCE，故而不占内存
当InnerClass第一次被加载时，并不需要去加载SingleTonHoler，只有当getInstance()方法第一次被调用时，才会去初始化INSTANCE,第一次调用getInstance()方法会导致虚拟机加载SingleTonHoler类，这种方法不仅能确保线程安全，也能保证单例的唯一性，同时也延迟了单例的实例化。

缺点

静态内部类也有着一个致命的缺点，就是传参的问题，由于是静态内部类的形式去创建单例的，故外部无法传递参数进去

建议

屏蔽饿汉式单例模式的内存浪费问题和双重检查锁中synchronized的性能问题，同时考虑避免因为反射破坏单例问题，相对而言性能最好！

补充知识——类加载

JAVA虚拟机在有且仅有的5种场景下会对类进行初始化：

遇到new、getstatic、setstatic或者invokestatic这4个字节码指令时，对应的java代码场景为：

new一个关键字或者一个实例化对象时

读取或设置一个静态字段时(final修饰、已在编译期把结果放入常量池的除外)

调用一个类的静态方法时。

使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没进行初始化，需要先调用其初始化方法进行初始化。
当初始化一个类时，如果其父类还未进行初始化，会先触发其父类的初始化。
当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的类)，虚拟机会先初始化这个类。
当使用JDK 1.7等动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

以上是类的主动引用。除此之外，所有引用类都不会对类进行初始化，称为被动引用。

静态内部类就属于被动引用的行列,为什么？

我们再回头看下getInstance()方法，调用的是InnerClassHolder.instance，取的是InnerClassHolder里的instance对象，跟上面那个DCL方法不同的是，getInstance()方法并没有多次去new对象，故不管多少个线程去调用getInstance()方法，取的都是同一个instance对象，而不用去重新创建。

当getInstance()方法被调用时，InnerClassHolder才在InnerClass的运行时常量池里，把符号引用替换为直接引用，这时静态对象instance也真正被创建，然后再被getInstance()方法返回出去，这点同饿汉模式。

那么instance在创建过程中又是如何保证线程安全的呢？

虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行()方法完毕。

如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞(需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入()方法。同一个加载器下，一个类型只会初始化一次。

可以看出INSTANCE在创建过程中是线程安全的，所以说静态内部类形式的单例可保证线程安全，也能保证单例的唯一性，同时也延迟了单例的实例化。

5.4、枚举

enum Enums {
    /**
     * 实例对象
     */
    INSTANCE;
    /**
     * 两数相加之和方法
     * @param a
     * @param b
     * @return
     */
    public int add(int a, int b)
    {
        return a + b;
    }
}

优点

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
直接通过Enums.INSTANCE.add()的方式调用即可。方便、简洁又安全

三、总结

以上就是我个人关于设计模式——单例模式的一些笔记，如果有什么问题，可以将问题发我邮箱 luodiab@126.com ，欢迎各位的意见。

四、参考文章

单例模式的使用总结

java单例模式——详解JAVA单例模式及8种实现方式

标题：设计模式——单例模式
作者：luodiab
地址：https://www.luodiab.top/articles/2023/08/17/1692242246086.html