JAVA设计模式零基础解析之单例模式的八种方式

2024-04-02 19:55

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单例模式简介：

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

比如Hibernate的SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建Session对象。SessionFactory并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个SessionFactory就够，这是就会使用到单例模式。

单例模式优点:

由于其在内存中只有一个对象实例，则节省内存空间
能避免频繁地创建和销毁对象，提高性能
避免对共享资源的多重占用，简化访问操作，如在进行写文件时，由于只有一个实例对象，能避免对同一资源的同时写操作
为整个系统提供一个全局访问点，优化和共享资源访问。

应用场景：

单例模式其核心在于在整个系统中只创建唯一一个实例，其应用场景主要如下：

1.创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象。
2.需要频繁实例化然后销毁的对象。如多线程的线程池、网络连接池等。
3.当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。
4.需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力，减少 GC。
5.网站的计数器（否则难以同步）
6.Windows的任务管理器和回收站。

单例设计模式的八种方式:

1、饿汉式（静态常量）

应用实例：

1.构造器私有化（防止new）
2.类的内部创建对象
3.向外暴露一个静态的公共方法：getInstance
4.代码实现


public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance1=instance1);    //true
        System.out.println("instance1.hsashCode="+instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hsashCode="+instance2.hashCode());
    }
}
//饿汉式顾名思义是饥饿的，因此应该开始就创建对象
class Singleton{
    // 1.构造器私有化,外部不能new
    private Singleton(){
    }
    // 2.本类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance=new Singleton();
    // 3.提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

运行结果：

优缺点说明:

1、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。
2、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
3、这种方式基于classloder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，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法，但是导致类装载的原因有很多种，因此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就没有达到lazy loading 的效果

结论:这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费

2、饿汉式（静态代码块）


class Singleton01{
    // 1.构造器私有化,外部不能new
    private Singleton01(){
    }
    // 2.本类内部创建对象实例
    private  static Singleton01 instance;
    static {  //在静态代码块中，创建单例对象
        instance=new Singleton01();
    }
    // 3.提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton01 getInstance(){
        return instance;
    }
}

优缺点说明：和上面一样这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也就是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。

3、懒汉式（线程不安全）


public class SingletonTest03 {
    public static void main(String[] args) {
        //测试
        System.out.println("懒汉式，线程不安全~");
        Singleton03 instance1 = Singleton03.getInstance();
        Singleton03 instance2 = Singleton03.getInstance();
        System.out.println(instance1==instance2);    //true
        System.out.println("instance1.hsashCode="+instance1.hashCode());
        System.out.println("instance2.hsashCode="+instance2.hashCode());
    }
}
//懒汉式顾名思义就是懒，不会跟饿汉式一样上来就创建对象，而是在需要的时候才会创建，而且是仅创建一次
class Singleton03{
    // 1.构造器私有化,外部不能new
    private Singleton03(){
    }
    // 2.本类内部创建对象实例
    private  static Singleton03 instance;
 
    // 3.提供一个公有的静态方法，当使用到该方法时，才会去创建instance
    //即懒汉式
    public static Singleton03 getInstance(){
        if(instance==null){
            instance=new Singleton03();
        }
        return instance;
    }
}

运行结果：

优缺点说明:

1、起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。
2、如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == mull)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
3、结论:在实际开发中，不要使用这种方式.

4、懒汉式（线程安全，同步方法）


class Singleton04{
    // 1.构造器私有化,外部不能new
    private Singleton04(){
    }
    // 2.本类内部创建对象实例
    private  static Singleton04 instance;
    // 3.提供一个公有的静态方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    //即懒汉式
    public static synchronized  Singleton04 getInstance(){
        if(instance==null){
            instance=new Singleton04();
        }
        return instance;
    }
}

运行结果：

优缺点说明:

1、解决了线程安全问题
2、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
3、结论:在实际开发中，不推荐使用这种方式

5、懒汉式（线程安全，同步代码块）


class Singleton05{
    // 1.构造器私有化,外部不能new
    private Singleton05(){
    }
    // 2.本类内部创建对象实例
    private  static Singleton05 instance;
    // 3.提供一个公有的静态方法，加入同步代码块
    public static Singleton05 getInstance(){
        if(instance==null){
          synchronized (Singleton05.class){
              instance=new Singleton05();
          }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

1、这种方式，本意是想对第四种实现方式的改进，因为前面同步方法效率太低，改为同步产生实例化的的代码块
2、但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了if (singleton == nul)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

结论:在实际开发中，不能使用这种方式

6、双重检查（推荐使用）


//双重检查
class Singleton06{
    // 1.构造器私有化,外部不能new
    private Singleton06(){
    }
    // 2.本类内部创建对象实例
    private  static volatile Singleton06 instance;
    // 3.提供一个公有的静态方法，加入双重检查代码,解决线程安全问题，同时解决懒加载问题
    public static synchronized Singleton06 getInstance(){
        if(instance==null){
          synchronized (Singleton06.class){
              if(instance==null){
                  instance=new Singleton06();
              }
          }
        }
        return instance;
    }
}

运行结果：

优缺点说明：

1、Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton==- null)检查，这样就可以保证线程安全了。
2、这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断if (singleton ==null)，直接return实例化对象，也避免的反复进行方法同步.
3、线程安全;延迟加载;效率较高
4、结论:在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

为什么一定使用volatile?

在java内存模型中，volatile 关键字作用是：

保证不同线程对变量操作的内存可见性
禁止指令重排序

7、静态内部类(推荐使用)


//静态内部类完成，推荐使用
class Singleton07{
    // 1.构造器私有化
    private Singleton07(){
    }
    // 2.本类内部创建对象实例
    private  static volatile Singleton07 instance;
    //写一个内部静态类，该类中有一个静态的属性
    private static class SingletonInstance{
        private static final Singleton07 INSTANCE=new Singleton07();
    }
    // 3.提供一个公有的静态方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE
    public static synchronized Singleton07 getInstance(){
 
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

运行结果：

优缺点说明:

1、这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
2、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。
3、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。
4、优点:避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高

8、枚举（推荐使用）


public class SingletonTest08 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton08 instance = Singleton08.INSTANCE;
        Singleton08 instance2 = Singleton08.INSTANCE;
        System.out.println(instance==instance2);
 
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
        instance.sayOk();
    }
}
//使用枚举，可以实现单例，推荐
enum Singleton08{
    INSTANCE;//属性
    public void sayOk(){
        System.out.println("ok~");
    }
}

运行结果：