4、创建型模式之单态模式

2018-04-26  本文已影响0人  聂叼叼

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一，也叫单态模式。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。
注意：

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。
应用实例： 1、一个党只能有一个主席。 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
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。
单例模式的三步骤：

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。
SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo，我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

singleton.jpg
步骤 1
创建一个 Singleton 类。
SingleObject.java 
package com.nieshenkuan.creational.singleton;

public class SingleObject {

    // 创建 SingleObject 的一个对象
    private static SingleObject instance = new SingleObject();

    // 让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
    private SingleObject() {
    }

    // 获取唯一可用的对象
    public static SingleObject getInstance() {
        return instance;
    }

    public void showMessage() {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

步骤 2
从 singleton 类获取唯一的对象。
SingletonPatternDemo.java

package com.nieshenkuan.creational.singleton;

public class SingletonPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {

        // 不合法的构造函数
        // 编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的,因为构造函数是用private修饰的
        // SingleObject object = new SingleObject();

        // 获取唯一可用的对象
        SingleObject object = SingleObject.getInstance();

        // 显示消息
        object.showMessage();
    }
}

单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，如下所示：

1、懒汉式，线程不安全

package com.nieshenkuan.creational.singleton;

/**
 * 1、懒汉式，线程不安全
 *  是否 Lazy 初始化：是 
 *  是否多线程安全：否 
 *  实现难度：易
 * 描述：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。
 * 
 * @author NSK
 *
 */
public class LazyNotSafeSingleton {
    private static LazyNotSafeSingleton instance;

    private LazyNotSafeSingleton() {
    }

    public static LazyNotSafeSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazyNotSafeSingleton();
        }
        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。

2、懒汉式，线程安全

package com.nieshenkuan.creational.singleton;

/**
 * 2、懒汉式，线程安全 
 * 是否 Lazy 初始化：是 
 * 是否多线程安全：是 
 * 实现难度：易
 *  描述：这种方式具备很好的 lazyloading，能够在多线程中很好的工作，
 *  但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。 
 *  优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。 
 *  缺点：必须加锁synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
 *  getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。
 * 
 * @author NSK
 *
 */
public class LazySafeSingleton {
    
    private static LazySafeSingleton instance;  
    
    private LazySafeSingleton (){}  
    
    public static synchronized LazySafeSingleton getInstance() {  
        
    if (instance == null) {  
        instance = new LazySafeSingleton();  
    }  
    
    return instance;  
    }  

}

3、饿汉式

package com.nieshenkuan.creational.singleton;

/**
 * 3、饿汉式 是否 Lazy 
 * 初始化：否
 *  是否多线程安全：是 
 *  实现难度：易 
 *  描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
 *  优点：没有加锁，执行效率会提高。
 * 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。 它基于 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，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。
 * 
 * @author NSK
 *
 */
public class EagerSingleton {

    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

    private EagerSingleton() {
    }

    public static EagerSingleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

package com.nieshenkuan.creational.singleton;

/**
 * 4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking） 
 * JDK 版本：JDK1.5 起
 *  是否 Lazy 初始化：是
 * 是否多线程安全：是
 * 实现难度：较复杂 
 * 描述：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。 getInstance() 的性能对应用程序很关键。
 * 
 * @author NSK
 *
 */
public class DoubleCheckedLockSingleton {
    private volatile static DoubleCheckedLockSingleton singleton;

    private DoubleCheckedLockSingleton() {
    }

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

}

5、登记式/静态内部类

package com.nieshenkuan.creational.singleton;

/**
 * 是否 Lazy 初始化：是 是否多线程安全：是 实现难度：一般
 * 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 classloder 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 3 种方式就显得很合理。
 * 
 * @author NSK
 *
 */
public class InnerStaticSingleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final InnerStaticSingleton INSTANCE = new InnerStaticSingleton();
    }

    private InnerStaticSingleton() {
    }

    public static final InnerStaticSingleton getInstance() {

        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

}

6、枚举


/**
 * 6、枚举
 *  JDK 版本：JDK1.5 起 
 *  是否 Lazy 初始化：否
 *   是否多线程安全：是 
 *   实现难度：易
 * 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。
 * 
 * @author NSK
 *
 */
public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {
    }

}

总结：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。2018/04/26
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