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单例模式

荒流2021年7月15日大约 4 分钟约 1322 字

1. 概念

单例模式设定一个类仅能有一个实例,并提供一个唯一的访问它的全局访问点。单例模式的目的是为了保证在一个进程中,某个类有且仅有一个实例。

应用场景:

2. 示例

class Singleton {
    // 使用一个类变量来缓存曾经创建的实例
    private static Singleton instance;
    // 使用private隐藏该构造器
    private Singleton() {
    }
    // 提供一个静态方法,用于返回Singleton实例
    // 该方法可以加入自定义控制,保证只产生一个Singleton对象
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        System.out.print(s1 == s2); // true
    }
}

3. 单例模式的几种实现方式

3.1 懒汉式(线程不安全)

这种方式是最基本的实现方式,这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized,所以严格意义上它并不算单例模式。这种方式 lazy loading 很明显,不要求线程安全,在多线程不能正常工作。

实际就是上面的示例代码。

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

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程,但是在性能上有所差异。


3.2 懒汉式(线程安全)

这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作。其优点是第一次调用才初始化,避免内存浪费,缺点是必须加锁 synchronized 才能保证单例,会影响效率。

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

3.3. 饿汉式

这种方式比较常用,但容易产生垃圾对象。

它基于 classloader 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,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法, 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。

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

3.4 双检锁

DCL,即 double-checked locking。

这种方式采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。其特点是:

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

3.5 静态内部类

这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单,此法选择对静态域使用延迟初始化,通常应使用这种方式而不是双检锁方式。不过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。

特点:

这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,它跟饿汉式不同的是:饿汉式只要 Singleton 类被装载了,那么 instance 就会被实例化(没有达到 lazy loading 效果),而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有通过显式调用 getInstance 方法时,才会显式装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。

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

3.6 枚举

这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,因为它更简洁,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。

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

4. 经验之谈

一般情况下,不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式,建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时,才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求,可以考虑使用第 4 种双检锁方式。