【Java】设计模式 —— 深入浅出单例模式

学习笔记

参考:
深入浅出单实例SINGLETON设计模式
单例模式
【Java】设计模式:深入理解单例模式

场景:

一般,我们在写程序或者开发系统的时候,会有这样的需求:有些类只需要在整个系统中只能出现一个类的实例(避免了一个全局使用的类频繁地创建与销毁);比如一个全局配置信息类、或者一个Factory类,或是一个主控类,等等。这个时候就需要用到单例的设计模式

单例模式特点:

1、实例是全局的(因为这个原因,所以要考虑到多线程的共享全局资源的问题;因为是全局性的实例,所以,在多线程情况下,所有的全局共享的东西都会变得非常的危险)
2、只有一个实例,且只能这个类自己创建对象,并提供一个访问它的全局访问点
3、私有构造器

单例模式: 主要目的是想在整个系统中只能出现一个类的实例,避免了一个全局使用的类频繁地创建与销毁;比如你的软件的全局配置信息,或者是一个Factory,或是一个主控类,等等



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

1、Lazy加载初始化、实现延时加载

缺点:

1、线程不安全(多线程的情况下,可能会有多个进程同时通过 (singleton== null)的条件检查,于是,多个实例就创建出来,并且很可能造成内存泄露问题)

综上所述,不推荐在实际开发中使用懒汉式



public class Singleton {  
    private static Singleton instance = null;  
    private Singleton (){}  

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

另一种写法:

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = null;  
    private Singleton (){}  

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

1、Lazy加载初始化、实现延时加载
2、线程安全

缺点:

1、虽然线程安全,但是仍然创建了很多实例(创建很多实例与单例的思想相违背的;虽然我们的synchronized方法会帮助我们同步所有的线程,让我们并行线程变成串行的一个一个去new,那不还是一样的吗?同样会出现很多实例。注意理解这里会创建很多实例。注意,创建对象的动作只有一次,后面的动作全是读取那个成员变量,这些读取的动作不需要线程同步啊。这样的作法感觉非常极端啊,为了一个初始化的创建动作,居然让我们达上了所有的读操作,严重影响后续的性能啊!)
2、效率很低,99% 情况下不需要同步

综上所述,多线程下,对性能和内存要求高的情况下,不推荐使用此模式



public class Singleton {
   /**
     * 注意此处使用的关键字 volatile,
     * 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。
     */  
    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;  
    }  
}
优点:

1、Lazy加载初始化、实现延时加载
2、线程安全
3、使用了关键字volatile

综上所述,多线程下,对性能和内存要求高,推荐使用此模式

使用 volatile 有两个功用:

1)这个变量不会在多个线程中存在复本,直接从内存读取。

2)这个关键字会禁止指令重排序优化。也就是说,在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。

但是,这个事情仅在Java 1.5版后有用,1.5版之前用这个变量也有问题,因为老版本的Java的内存模型是有缺陷的。



public class Singleton {   
    // volatile可以换成final
    private volatile static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  

    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  
}
优点:

1、线程安全(基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题)
2、因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了,在第一次加载类到内存中时就会初始化,所以创建实例本身是线程安全的

缺点:

1、没有实现延时加载
2、但是,这种玩法的最大问题是——当这个类被加载的时候,new Singleton() 这句话就会被执行,就算是getInstance()没有被调用,类也被初始化了。
于是,这个可能会与我们想要的行为不一样,比如,我的类的构造函数中,有一些事可能需要依赖于别的类干的一些事(比如某个配置文件,或是某个被其它类创建的资源),我们希望他能在我第一次getInstance()时才被真正的创建。这样,我们可以控制真正的类创建的时刻,而不是把类的创建委托给了类装载器

综上所述,推荐使用



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

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

1、线程安全
2、Lazy加载初始化、实现延时加载

描述:

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。
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,它跟第 3 种方式不同的是:第 3 种方式只要 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。想象一下,如果实例化 instance 很消耗资源,所以想让它延迟加载,另外一方面,又不希望在 Singleton 类加载时就实例化,因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候,这种方式相比第 4 种方式(饿汉模式)就显得很合理。

上面这种方式,仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题;由于 SingletonHolder 是私有的,除了 getInstance() 之外没有办法访问它,因此它只有在getInstance()被调用时才会真正创建;同时读取实例的时候不会进行同步,没有性能缺陷;也不依赖 JDK 版本。

综上所述,1.6版是老版《Effective Java》中推荐的方式



public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void method() {  
    }  
}
优点:

1、线程安全

描述:

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。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。

上面这种方式,仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题;由于 SingletonHolder 是私有的,除了 getInstance() 之外没有办法访问它,因此它只有在getInstance()被调用时才会真正创建;同时读取实例的时候不会进行同步,没有性能缺陷;也不依赖 JDK 版本。

综上所述,这也是新版的《Effective Java》中推荐的模式



public class SingletonManager { 
  private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<String,Object>();
  private Singleton() {}

  public static void registerService(String key, Objectinstance) {
    if (!objMap.containsKey(key) ) {
      objMap.put(key, instance);
    }
  }

  public static Object getService(String key) {
    return objMap.get(key);
  }
}
描述:

这种事用SingletonManager 将多种单例类统一管理,在使用时根据key获取对象对应类型的对象。这种方式使得我们可以管理多种类型的单例,并且在使用时可以通过统一的接口进行获取操作,降低了用户的使用成本,也对用户隐藏了具体实现,降低了耦合度。

单例模式有五种写法:懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举
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 4 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 3 种双检锁方式

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