Java设计模式(一)----单例模式

2021-08-14 07:12:08

单例模式
一、特点：
二．分类
(一)、懒汉式单例
(二)、双重检查锁定
(三)、静态(类级)内部类
(四)、饿汉式单例
(五)、单例和枚举
三、饿汉式和懒汉式区别

一、特点：
1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
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。

二．分类
(一)、懒汉式单例

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己   
public class Singleton {
    // 构造方法私有化
    private Singleton() {
    }
    private static Singleton single = null;
    // 静态工厂方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (single == null) {
            single = new Singleton();
        }
        return single;
    }
}

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。
（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。）
但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，有以下三种方式，都是对getInstance这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全，如果你第一次接触单例模式，对线程安全不是很了解，可以先跳过下面这三小条，去看饿汉式单例，等看完后面再回头考虑线程安全的问题：

1、在getInstance方法上加同步

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

(二)、双重检查锁定
可以使用“双重检查加锁”的方式来实现，就可以既实现线程安全，又能够使性能不受很大的影响。那么什么是“双重检查加锁”机制呢？
所谓“双重检查加锁”机制，指的是：并不是每次进入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，进入方法后，先检查实例是否存在，如果不存在才进行下面的同步块，这是第一重检查，进入同步块过后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。这样一来，就只需要同步一次了，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。
“双重检查加锁”机制的实现会使用关键字volatile，它的意思是：被volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，所有对该变量的读写都是直接操作共享内存，从而确保多个线程能正确的处理该变量。
注意：在java1.4及以前版本中，很多JVM对于volatile关键字的实现的问题，会导致“双重检查加锁”的失败，因此“双重检查加锁”机制只只能用在java5及以上的版本。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
        if(instance == null){
            //同步块，线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种实现方式既可以实现线程安全地创建实例，而又不会对性能造成太大的影响。它只是第一次创建实例的时候同步，以后就不需要同步了，从而加快了运行速度。
(摘自网络)提示：由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高。因此一般建议，没有特别的需要，不要使用。也就是说，虽然可以使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例，但并不建议大量采用，可以根据情况来选用。

(三)、静态(类级)内部类

public class Singleton {

    private Singleton(){}
    /**
     *    类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例
     *    没有绑定关系，而且只有被调用到时才会装载，从而实现了延迟加载。
     */
    private static class SingletonHolder{
        /**
         * 静态初始化器，由JVM来保证线程安全
         */
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

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

这种比上面1、2都好一些，既实现了线程安全，又避免了同步带来的性能影响。　当getInstance方法第一次被调用的时候，它第一次读取 SingletonHolder.instance，导致SingletonHolder类得到初始化；而这个类在装载并被初始化的时候，会初始化它的静态域，从而创建Singleton的实例，由于是静态的域，因此只会在虚拟机装载类的时候初始化一次，并由虚拟机来保证它的线程安全性。
这个模式的优势在于，getInstance方法并没有被同步，并且只是执行一个域的访问，因此延迟初始化并没有增加任何访问成本。

(四)、饿汉式单例

//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化   
public class EagerSingleton {
        private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
        /**
         * 构造方法私有化
         */
        private EagerSingleton(){}
        /**
         * 静态工厂方法
         */
        public static EagerSingleton getInstance(){
            return instance;
        }
}

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

(五)、单例和枚举
用枚举来实现单例非常简单，只需要编写一个包含单个元素的枚举类型即可。

public enum Singleton {
    /**
     * 定义一个枚举的元素，它就代表了Singleton的一个实例。
     */

    uniqueInstance;

    /**
     * 单例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation(){
        //功能处理
    }
}

　相关测试代码：

public enum SingletonEnum {
    INSTANCE01, INSTANCE02;// 定义枚举的两个类型
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name){
        this.name = name;
    }
}


public class Test {

    public static void main(String[] args) {
            SingletonEnum instance01=SingletonEnum.INSTANCE01;
            instance01.setName("tanggao");
            System.out.println(instance01.getName());

            SingletonEnum instance02=SingletonEnum.INSTANCE01;
            System.out.println(instance02.getName());

            SingletonEnum instance03=SingletonEnum.INSTANCE02;
            instance03.setName("zsy");
            System.out.println(instance03.getName());

            SingletonEnum instance04=SingletonEnum.INSTANCE02;
            instance04.setName("zsy1");
            System.out.println(instance04.getName());
            System.out.println(instance03.hashCode()+"\t"+instance04.hashCode());
            System.out.println(instance03==instance04);

    }
}

结果:
tanggao
tanggao
zsy
zsy1
3346521 3346521
true

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

三、饿汉式和懒汉式区别
从名字上来说，饿汉和懒汉，
饿汉就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了，
而懒汉比较懒，只有当调用getInstance的时候，才回去初始化这个单例。
另外从以下两点再区分以下这两种方式：

1、线程安全：
饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，
懒汉式本身是非线程安全的，为了实现线程安全有几种写法，分别是上面的1、2、3，这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。

2、资源加载和性能：
饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成，
而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。
至于1、2、3这三种实现又有些区别，
第1种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟99%的情况下是不需要同步的，
第2种，在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗
第3种，保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，一般倾向于使用这一种。

3、什么是线程安全？
如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。
或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作，或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题，那就是线程安全的。

以上内容来自平时所看书籍和网络资源整理测试所得，如有不完善之处，欢迎指正！

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