单例模式

2024-03-04 22:33:48

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。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其（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（不需要每次new）。

温馨提示：

单例类只能有一个实例。
单例类必须自己创建自己唯一的实例。
单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
保证一个类只能有一个实例，并提供它的全局访问点。

主要来解决一个全局使用的类频繁的创建和销毁，当你想控制实例数目，节约系统资源的时候。

判断系统是否有了这个单例，如果有则返回，没有则创建。在实现单例的共同特点就是构造函数是私有的。

个人不太恰当的理解（如果错了请指正）：

把普通模式和单例模式理解为一根火柴（普通）和一个打火机（单例）的区别，火柴的燃烧要燃尽自己为代价，而打火机可以持续的供给，重复的销毁和创建，如果类占用内存空间较大，耗时也长，如果频繁的创建会产生不必要的消耗的时候，我们就可以建一个单例类供我们使用就好了。

举例：

一个班级只能有一个班主任，只有当这个班主任走了，才能有新的班主任过来。

一个电脑有两台打印机设备，在输出的时候就不能两台打印机同时打印一个文件。

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（比如管理学院首页页面缓存）。

避免对资源的多重占用

缺点：

没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，只关心内部逻辑，而不管外面怎么实例化。

注意事项：

getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

单例模式又分为四种（也可以叫五种，枚举用的相对来说比较少）

饿汉式
懒汉式
双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
登记式/静态内部类
枚举

接下来就来一个个介绍........

单例模式创建要求：

只能有一个实例化（构造方法私有化）
它必须自己创建这个实例（含有一个该类的静态变量来保存这个唯一的实例）
自己向整个系统提供这个实例（直接暴露或使用静态变量的get方法）

饿汉式

直接创建对象，不存在线程安全问题。比较容易实现，类似的思想的很多。

举例说明更加清晰：

就好比女人最喜欢的双十一，你一下把你家里不管（需要）还是（不需要）的都买了，认为以后会用的到的也买了。这样就会导致占用内存了。

代码展示：

也可以使用枚举式（最简洁）和静态代码块饿汉式(适合复杂实例化)

//饿汉式 不管需不需要这个对象都创建
public class Singleton
{
    private static Singleton singleton=new Singleton();

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance()
    {
        return singleton;
    }
}

懒汉式

从上面我们可以了解到饿汉式早早的就把对象创建好了，在执行一些逻辑的时候不存在线程安全问题，但是懒汉式会延迟创建对象可能会导致线程安全问题

线程不安全的源码展示（适合单线程）：

//不支持多线程,适用单线程。
//懒汉式：构造器私有化
//静态变量保存实例
//提供一个静态方法，获取这个实例对象
public class Singleton
{
  private static Singleton singleton;

  private Singleton(){}

  public static Singleton getInstance()
  {
      if (singleton==null)
      {
          singleton=new Singleton();
      }
      return singleton;
  }
}

对于这种单线程没问题，但是如果如果两个或多个线程来同时访问instance如果都为null同时申请的时候会对系统数据造成错误

线程安全的源码展示（适合多线程）：

既然上面那种不能实现多线称，那要这个单例干嘛？所以既然不允许多个线程同时访问，我们就给他加个锁（synchronized）不就可以了。

//支持多线程。
//懒汉式：构造器私有化
//静态变量保存实例
//提供一个静态方法，获取这个实例对象
public class Singleton
{
  private static Singleton singleton;

  private Singleton(){}

  public static synchronized Singleton getInstance()
  {
      if (singleton==null)
      {
          singleton=new Singleton();
      }
      return singleton;
  }
}

但是这样有啥问题呢？就是我获取这个单例对象的时候，被上锁了，你气不气？我们就是在创建这个单例时候多线程可能出现点问题，咱么获取的时候不存在线程安全问题啊。。你为啥获取也要锁？？就好比我们去食堂吃饭，吃饭是不是要一个一个的排队去打饭，但是不妨碍你看着里面的菜流口水《干饭人》

双检锁/双重校验锁：

相对来说实现比较复杂，这种方式采用了双锁（volatile 轻量级锁）（synchronized 重量级锁）机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。后面我们就顺便把这两种锁扩展了。

getInstance() 的性能对应用程序很关键。

public class Singleton
{
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton(){}

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

对于上述存在的问题，我们只要双重判定就行了

首先判断instance是不是为null。如果不是null说明被实例化过直接返回即可！nice！
如果instance为null？上锁之后再判空实例化

或许有人会问了两个null，为什么要两个？

第一个：用来判断是否为空需要上锁new 实例。
第二个：上锁后虽然只有一个会执行当前方法，但是很可能都为null的时候两个或多个都为null上锁的想构造。然后后面线程在等待同时前面线程构造好了，那么它就不需要再去构造这个singleton啦！直接不操作就行了。

这样就相对完美了

登记式/静态内部类（适用于多线程）：

这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。利用了 classloader 机制来保证初始化 singleton 时只有一个线程

静态内部类是个好方式。主要是静态内部类和外部类不是一起加载的，并且你去调用它的时候他就会初始化，并且类加载是线程安全的，这个不需要考虑线程安全问题。当加载完之后你就可以直接拿啦。这样也能达到延迟加载的作用。

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

    private Singleton(){}

    public static final Singleton getInstance()
    {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

枚举：

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() {}
}

懒汉式和饿汉式的区别：

这里举个例子加深一下印象：大家平时都玩过游戏和下过游戏吧，就拿下游戏来举例，拿（我的世界）来举例吧。饿汉式就是一次性把所有的模块全部下完，不管你后续玩不玩都下完了，这样子等待和成本太大，懒汉式就是你要玩什么模块就下什么模块，避免过多的消耗。

volatile和synchronized的区别：

看完上面是不是对这两个锁有了一些的认识，接下来我们就来扩展一下他们的区别。

首先需要理解线程安全的两个方面：

执行控制。（执行控制：的目的是控制代码执行（顺序）及是否可以并发执行。）
内存可见。（内存可见控制的是线程执行结果在内存中对其它线程的可见性。根据Java内存模型的实现，线程在具体执行时，会先拷贝主存数据到线程本地（CPU缓存），操作完成后再把结果从线程本地刷到主存。）

区别在于：

volatile本质是在告诉jvm当前变量在寄存器（工作内存）中的值是不确定的，需要从主存中读取； synchronized则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住。
volatile仅能使用在变量级别；synchronized则可以使用在变量、方法、和类级别的
volatile仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性；而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性
volatile不会造成线程的阻塞；synchronized可能会造成线程的阻塞。
volatile标记的变量不会被编译器优化；synchronized标记的变量可以被编译器优化

如果哪里写的不对的地方，还望指教，感谢支持。

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