设计模式--单例模式

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单例模式介绍

** 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。

** 优点 **：

  1. 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）。
  2. 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

** 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。

** 使用场景 **：

  1. 要求生产唯一序列号。
  2. 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。
  3. 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。

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。

实现方式

饿汉式（静态常量）【可用】

** 代码实现 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 饿汉式（静态常量）【可用】
 * 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。
 * 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。
 */
public class Hungry {

    //自有永久的对象
    private static final Hungry hungry = new Hungry();

    //构造器私有化
    private Hungry() {
        System.out.println("饿汉式（静态常量）...");
    }

    public static Hungry getInstance() {
        return hungry;
    }
}

** 测试类 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 单例模式测试
 */
public class singletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                /**
                 * 饿汉式（静态常量）【可用】
                 */
                Hungry hungry = Hungry.getInstance();
                System.out.println("第" + (finalI + 1) + "次获得的hungry对象的hashCode：" + hungry.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

** 输出结果 **：
hungry

饿汉式（静态代码块）【可用】

** 代码实现 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 饿汉式（静态代码块）【可用】
 * 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。
 * 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。
 */
public class Hungry2 {

    private static Hungry2 hungry2;

    static {
        hungry2 = new Hungry2();
    }

    private Hungry2() {
        System.out.println("饿汉式（静态代码块）...");
    }

    public static Hungry2 getInstance() {
        return hungry2;
    }
}

** 测试类 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 单例模式测试
 */
public class singletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                /**
                 * 饿汉式（静态代码块）【可用】
                 */
                Hungry2 hungry2 = Hungry2.getInstance();
                System.out.println("第" + (finalI + 1) + "次获得的hungry2对象的hashCode：" + hungry2.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

** 输出结果 **：
hungry2

懒汉式（线程不安全）【不可用】

** 代码实现 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 懒汉式（线程不安全）【不可用】
 * 这种写法起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。
 * 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。
 */
public class Lazy {

    private static Lazy lazy;

    private Lazy() {
        System.out.println("懒汉式（线程不安全）...");
    }

    public static Lazy getInstance() {
        if (lazy == null) {
            lazy = new Lazy();
        }
        return lazy;
    }
}

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 单例模式测试
 */
public class singletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                /**
                 * 懒汉式（线程不安全）【不可用】
                 */
                Lazy lazy = Lazy.getInstance();
                System.out.println("第" + (finalI + 1) + "次获得的lazy对象的hashCode：" + lazy.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

** 输出结果 **：
lazy

懒汉式(线程安全，同步方法)【不推荐用】

** 代码实现 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 懒汉式(线程安全，同步方法)【不推荐用】
 * 有点：解决了线程不安全问题，做个线程同步就可以了，于是就对getInstance()方法进行了线程同步。
 * 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。方法进行同步效率太低要改进。
 */
public class Lazy2 {

    private static Lazy2 lazy;

    private Lazy2() {
        System.out.println("懒汉式(线程安全，同步方法)...");
    }

    public static synchronized Lazy2 getInstance() {
        if (lazy == null) {
            lazy = new Lazy2();
        }
        return lazy;
    }
}

** 测试类 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 单例模式测试
 */
public class singletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                /**
                 * 懒汉式(线程安全，同步方法)【不推荐用】
                 */
                Lazy2 lazy2 = Lazy2.getInstance();
                System.out.println("第" + (finalI + 1) + "次获得的lazy2对象的hashCode：" + lazy2.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

** 输出结果 **：
lazy2

懒汉式(线程安全 ， 同步代码块)【不可用】

** 代码实现 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 懒汉式(线程安全 ， 同步代码块)【不可用】
 * 由于同步方法的同步效率太低，所以摒弃同步方法，改为同步产生实例化的的代码块。
 * 但是这种同步并不能起到线程同步的作用。假如一个线程进入了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。
 */
public class Lazy3 {

    private static volatile Lazy3 lazy;

    private Lazy3() {
        System.out.println("懒汉式(线程安全，同步代码块)...");
    }

    public static Lazy3 getInstance() {
        if (lazy == null) {
            synchronized (Lazy3.class) {
                lazy = new Lazy3();
            }
        }
        return lazy;
    }
}

** 测试类 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 单例模式测试
 */
public class singletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                /**
                 * 懒汉式(线程安全，同步代码块)【不可用】
                 */
                Lazy3 lazy3 = Lazy3.getInstance();
                System.out.println("第" + (finalI + 1) + "次获得的lazy3对象的hashCode：" + lazy3.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

** 输出结果 **：
lazy3

静态内部类【推荐用】

** 代码实现 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 静态内部类【推荐用】
 * 这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要Singleton类被装载就会实例化，没有Lazy-Loading的作用，而静态内部类方式在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getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。
 * <p>
 * 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，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。
 * <p>
 * 优点：避免了线程不安全，延迟加载，效率高。
 */
public class StaticInnerClass {

    private StaticInnerClass() {
        System.out.println("静态内部类...");
    }

    private static class SingletonInstance {
        private static StaticInnerClass instance = new StaticInnerClass();
    }

    public static StaticInnerClass getInstance() {
        return SingletonInstance.instance;
    }
}

** 测试类 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 单例模式测试
 */
public class singletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                /**
                 * 静态内部类【推荐用】
                 */
                StaticInnerClass staticInnerClass = StaticInnerClass.getInstance();
                System.out.println("第" + (finalI + 1) + "次获得的staticInnerClass对象的hashCode：" + staticInnerClass.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

** 输出结果 **：
静态内部类

双重检查【推荐用】

** 代码实现 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 双重检查【推荐用】
 * 我们进行了两次if (doubleCheck == 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 (doubleCheck == null)，直接return实例化对象。
 * 优点：线程安全；延迟加载；效率较高。
 */
public class DoubleCheck {

    private static volatile DoubleCheck doubleCheck;

    private DoubleCheck() {
        System.out.println("双重检查...");
    }

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

** 测试类 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 单例模式测试
 */
public class singletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                /**
                 * 双重检查【推荐用】
                 */
                DoubleCheck doubleCheck = DoubleCheck.getInstance();
                System.out.println("第" + (finalI + 1) + "次获得的doubleCheck对象的hashCode：" + doubleCheck.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

** 输出结果 **：
双重检查

枚举【推荐用】

** 代码实现 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 枚举【推荐用】
 * 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。
 */
public enum EnumSingleton {
    Instance;

    public void whatEverMethod() {
    }
}

** 测试类 **：

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package main.java.com.study.designPatterns.single;

/**
 * @author: whb
 * @description: 单例模式测试
 */
public class singletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            new Thread(() -> {
                /**
                 * 双重检查【推荐用】
                 */
                DoubleCheck doubleCheck = DoubleCheck.getInstance();
                System.out.println("第" + (finalI + 1) + "次获得的doubleCheck对象的hashCode：" + doubleCheck.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

** 输出结果 **：
枚举

CAS【不推荐用】

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package com.springboot.whb.study.netty;

/**
 * @author: whb
 * @description: 单例模式CAS实现
 * 优点：不需要使用传统的锁机制来保证线程安全，CAS 是一种基于忙等待的算法，依赖底层硬件的实现，相对于锁它没有线程切换和阻塞的额外消耗，可以支持较大的并行度。
 * 缺点：如果忙等待一直执行不成功(一直在死循环中)，会对 CPU 造成较大的执行开销。而且，这种写法如果有多个线程同时执行 singleton = new Singleton(); 也会比较耗费堆内存。
 */
public class Singleton {
    // AtomicReference 是原子引用类型
    private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton>();
​
    private Singleton() {
    }
​
    public static Singleton getInstance() {
        for (; ; ) {
            Singleton instance = INSTANCE.get();
            if (instance != null) {
                return instance;
            }
            instance = new Singleton();
            // CAS 方法有两个参数 expect 和 update，以原子方式实现了比较并设置的功能
            // 如果当前值等于 expect，则更新为 update 并返回 true；否则不更新并返回 false
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, instance)) {
                return instance;
            }
        }
    }
}

Lock机制【推荐用】

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package com.springboot.whb.study.netty;

/**
 * @author: whb
 * @description: 类似双重检查
 */
public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private static Lock lock = new ReentrantLock();
​

    private Singleton() {
    }
​

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            lock.lock(); // 显式调用，手动加锁
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
            lock.unlock(); // 显式调用，手动解锁
        }
        return instance;
    }
}

本文标题:设计模式--单例模式

文章作者:王洪博

发布时间:2018年06月13日 - 21:06

最后更新:2019年11月04日 - 08:11

原始链接:http://whb1990.github.io/posts/6d67519e.html

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