浅谈单例模式

2021-10-22 11:15:43

单例模式用于确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

一般使用场景

日志：单例日志记录器用于将消息记录到文件中。
数据库连接：单例数据库连接用于连接到数据库。
配置：单例配置对象用于存储应用程序配置。
缓存：单例缓存用于存储应用程序数据。

如何实现单例模式

public class Singleton {
    // data fields
    // ...
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    // more public methods
   public void doSomething() {
   }
}

这意味着在加载类时创建一个静态单例实例。

这是最常见的实现，但它的内存效率不高。如果不使用类，单例仍然会被创建，如果单例很重，它将消耗大量内存。

让我们来看看创建单例时的一些重要问题。

线程安全：因为单例是为多个线程创建的，所以它们需要线程安全。线程安全可以从两方面来看待。
1. 确保实例不会被创建吵过一次
2. 如果单例对象保存数据，就像在缓存中一样，确保数据是线程安全的。更新数据的方法应该同步。
效率：我们需要确保最佳的内存使用和性能
1. 内存泄漏：如果单例很重且不使用，它将消耗大量内存
2. 资源使用：如果单例模式消耗系统资源，它将消耗大量的CPU周期。在这种情况下，除非使用单例，否则系统将得不到充分利用。
3. 序列化和反序列化：如果单例被序列化和反序列化，它将被重新创建，在这种情况下将创建多个实例。然而，序列化单例并不常见，理解这一点很重要

所以让我们看看上述的单例实现是否考虑到了这些问题。

在实例创建方面是线程安全的——是的，因为在加载类时只创建一次静态实例。
内存使用不是最优的，因为单例是在加载类时创建的，而不是在使用类时创建的。
不会阻止单例对象被序列化和反序列化。

现在我们来逐个看看其他的方法。

私有静态实例与惰性初始化

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

更多的内存效率。

这意味着在第一次访问该单例对象之前，它不会被创建。

然而，这并没有考虑到其他问题，并且失去了线程安全性

私有静态实例与同步的getInstance()方法

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

更加有效，并且是线程安全的。

这解决了多个线程试图同时创建单例的问题。然而，这也有一个小小的权衡。同步方法会使单例模式变慢，因为如果另一个线程正在请求该单例模式，同步方法会阻塞调用线程。

带有双重检查锁定的私有静态实例

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

内存高效+线程安全。

这样更有效，因为同步块只进入一次，而不是在访问已经创建的实例时。

另一种实现方法是使用Singleton Holder模式。

单例持有人模式

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

注意，SingletonHolder.instance，当它第一次被调用时，SingletonHolder类被加载。

然后，类装入器将创建静态单例实例并返回它。

这使得SingletonHolder类是线程安全的，因为它持有一个静态实例。

上述所有实现的一个共同缺陷是它们都不能避免序列化或反射。

有两种方法可以防止这种情况:

实现readResolve ()

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

通过实现readResolve()方法，该单例将被反序列化为已经创建的同一个实例。

枚举单例

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

枚举只能有一定数量的实例/变体。这使得用枚举实现一个单例对象(只有一个可能的实例)成为可能。

枚举不受序列化和反射的影响。当一个enum被反序列化时，该实例将与已经存在的唯一可能的实例相同。

枚举实例化在设计上是线程安全的。

但是枚举单例也存在一定的问题，比如说内存效率问题。

哪个单例实现最适合你的用例?

如果内存不是问题，或者单例实例很轻，只需使用枚举单例。
如果内存是一个问题，使用惰性初始化单例。
1. 此外，如果线程安全性存在问题，可以使用双重检查的锁单例或holder模式。
2. 此外，如果你需要防止单例对象被序列化，可以使用readResolve()来双重检查锁定单例对象。

码农公寓