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Java设计模式系列:单例设计模式

Java设计模式系列:单例设计模式

介绍

所谓类的单例设计模式,就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中,对某个类只能存在一个对象实例,并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)

比如 Hibernate 的 SessionFactory,它充当数据存储源的代理,并负责创建 Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的,一般情况下,一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够,这是就会使用到单例模式

八种方式

  • 1)饿汉式(静态常量)

  • 2)饿汉式(静态代码块)

  • 3)懒汉式(线程不安全)

  • 4)懒汉式(线程安全,同步方法)

  • 5)懒汉式(线程不安全,同步代码块)

  • 6)双重检查

  • 7)静态内部类

  • 8)枚举

1、饿汉式(静态常量)

  • 1)构造器私有化(防止外部 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

package com.mcode.api.singleton.type1;/*** ClassName: SingletonTest01* Package: com.mcode.api.singleton.type1* Description:** @Author: robin* @Create: 2019/11/22 - 9:41 PM* @Version: v1.0*/
public class SingletonTest01 {public static void main(String[] args) {Singleton instance = Singleton.getInstance();Singleton instance1 = Singleton.getInstance();System.out.println(instance == instance1); //trueSystem.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());System.out.println("instance.hashCode=" + instance1.hashCode());}
}//饿汉式(静态变量)
class Singleton {// 1、构造器私有化private Singleton() {}// 2、类的内部创建对象private static final Singleton instance = new Singleton();// 3、向外暴露一个静态的公共方法public static Singleton getInstance() {return instance;}
}

优缺点

  • 1)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

  • 2)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

  • 3)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getlnstance 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

  • 4)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)

  • 1)构造器私有化

  • 2)类的内部声明对象

  • 3)在静态代码块中创建对象

  • 4)向外暴露一个静态的公共方法

public class Singleton {// 1、构造器私有化private Singleton() {}// 2、类的内部声明对象private static Singleton instance;// 3、在静态代码块中创建对象static {instance = new Singleton();}// 4、向外暴露一个静态的公共方法public static Singleton getInstance() {return instance;}
}

优缺点

  • 1)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。

  • 2)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)

  • 1)构造器私有化

  • 2)类的内部创建对象

  • 3)向外暴露一个静态的公共方法,当使用到该方法时,才去创建 instance

// 1、构造器私有化
private Singleton() {
}// 2、类的内部声明对象
private static Singleton instance;// 3、向外暴露一个静态的公共方法,当使用到该方法时,才去创建 instance
public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;
}

优缺点

  • 1)起到了 Lazy Loading 的效果,但是只能在单线程下使用

  • 2)如果在多线程下,一个线程进入了判断语句块,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

  • 3)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)

  • 1)构造器私有化

  • 2)类的内部创建对象

  • 3)向外暴露一个静态的公共方法,加入同步处理的代码,解决线程安全问题

public class Singleton {// 1、构造器私有化private Singleton() {}// 2、类的内部声明对象private static Singleton instance;// 3、向外暴露一个静态的公共方法,加入同步处理的代码,解决线程安全问题public static synchronized Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

优缺点

  • 1)解决了线程不安全问题

  • 2)效率太低了,每个线程在想获得类的实例时候,执行getlnstance()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

  • 3)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)

  • 1)构造器私有化

  • 2)类的内部创建对象

  • 3)向外暴露一个静态的公共方法,加入同步处理的代码块

public class Singleton {// 1、构造器私有化private Singleton() {}// 2、类的内部声明对象private static Singleton instance;// 3、向外暴露一个静态的公共方法,加入同步处理的代码,解决线程安全问题public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {instance = new Singleton();}}return instance;}
}

优缺点

  • 1)这种方式,本意是想对第四种实现方式的改进,因为前面同步方法效率太低,改为同步产生实例化的的代码块

  • 2)但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致,假如一个线程进入了判断语句块,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

  • 3)结论:在实际开发中,不能使用这种方式

6、双重检查

  • 1)构造器私有化

  • 2)类的内部创建对象,同时用volatile关键字修饰修饰

  • 3)向外暴露一个静态的公共方法,加入同步处理的代码块,并进行双重判断,解决线程安全问题

public class Singleton {// 1、构造器私有化private Singleton() {}// 2、类的内部声明对象,同时用`volatile`关键字修饰修饰private static volatile Singleton instance;// 3、向外暴露一个静态的公共方法,加入同步处理的代码块,并进行双重判断,解决线程安全问题public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

优缺点

  • 1)Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的,我们进行了两次检查,这样就可以保证线程安全了

  • 2)这样实例化代码只用执行一次,后面再次访问时直接 return 实例化对象,也避免的反复进行方法同步

  • 3)线程安全;延迟加载;效率较高

  • 4)结论:在实际开发中,推荐使用这种单例设计模式

7、静态内部类

  • 1)构造器私有化

  • 2)定义一个静态内部类,内部定义当前类的静态属性

  • 3)向外暴露一个静态的公共方法

public class Singleton {// 1、构造器私有化private Singleton() {}// 2、定义一个静态内部类,内部定义当前类的静态属性private static class SingletonInstance {private static final Singleton instance = new Singleton();}// 3、向外暴露一个静态的公共方法public static Singleton getInstance() {return SingletonInstance.instance;}
}

优缺点

  • 1)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

  • 2)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getlnstance方法,才会装载Singletonlnstance 类,从而完成 Singleton 的实例化

  • 3)类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,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

  • 4)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

  • 5)结论:推荐使用

8、枚举

public enum Singleton {INSTANCE;public void sayHello() {System.out.println("Hello World");}
}

优缺点

  • 1)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

  • 2)这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式

  • 3)结论:推荐使用

JDK 源码分析

JDK中 java.lang.Runtime 就是经典的单例模式

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:需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多但又经常用到的对象(即:重量级对象)、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session 工厂等)

虽然上述提到的概念中,将双重检查、静态内部类、枚举三种方式的单例模式单独列举出来说明,但个人觉得本质也可以归类到饿汉式和懒汉式中;另外,同步代码块虽然上述中归类到线程安全,实际上并不是线程安全的

总结如下

  • |——饿汉式:静态常量、静态代码块、枚举(本质就是静态常量)

  • |——懒汉式

    • |——线程不安全:一次检查、同步代码块
    • |——线程安全:同步方法、双重检查、静态内部类

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