單例模式

單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單的設(shè)計(jì)模式之一。這種類型的設(shè)計(jì)模式屬于創(chuàng)建型模式，它提供了一種創(chuàng)建對象的最佳方式。

這種模式涉及到一個單一的類，該類負(fù)責(zé)創(chuàng)建自己的對象，同時確保只有單個對象被創(chuàng)建。這個類提供了一種訪問其唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實(shí)例化該類的對象。

注意：

1. 單例類只能有一個實(shí)例。
2. 單例類必須自己創(chuàng)建自己的唯一實(shí)例。
3. 單例類必須給所有其他對象提供這一實(shí)例。

介紹

意圖： 保證一個類僅有一個實(shí)例，并提供一個訪問它的全局訪問點(diǎn)。
主要解決：一個全局使用的類頻繁地創(chuàng)建與銷毀。
何時使用： 當(dāng)您想控制實(shí)例數(shù)目，節(jié)省系統(tǒng)資源的時候。
如何解決： 判斷系統(tǒng)是否已經(jīng)有這個單例，如果有則返回，如果沒有則創(chuàng)建。
關(guān)鍵代碼：構(gòu)造函數(shù)是私有的。
應(yīng)用實(shí)例： 一些設(shè)備管理器常常設(shè)計(jì)為單例模式，比如一個電腦有兩臺打印機(jī)，在輸出的時候就要處理不能兩臺打印機(jī)打印同一個文件。
優(yōu)點(diǎn)：

1. 在內(nèi)存里只有一個實(shí)例，減少了內(nèi)存的開銷，尤其是頻繁的創(chuàng)建和銷毀實(shí)例（比如管理學(xué)院首頁頁面緩存）。
2. 避免對資源的多重占用（比如寫文件操作）。

缺點(diǎn)： 沒有接口，不能繼承，與單一職責(zé)原則沖突，一個類應(yīng)該只關(guān)心內(nèi)部邏輯，而不關(guān)心外面怎么樣來實(shí)例化。
使用場景： 1、要求生產(chǎn)唯一序列號。 2、WEB 中的計(jì)數(shù)器，不用每次刷新都在數(shù)據(jù)庫里加一次，用單例先緩存起來。 3、創(chuàng)建的一個對象需要消耗的資源過多，比如 I/O 與數(shù)據(jù)庫的連接等。
注意事項(xiàng)：getInstance() 方法中需要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class) 防止多線程同時進(jìn)入造成 instance 被多次實(shí)例

實(shí)現(xiàn)：我們就以打印機(jī)（Printer）為例

1、懶漢式，線程不安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：否
實(shí)現(xiàn)難度：易
描述：這種方式是最基本的實(shí)現(xiàn)方式，這種實(shí)現(xiàn)最大的問題就是不支持多線程。因?yàn)闆]有加鎖 synchronized，所以嚴(yán)格意義上它并不算單例模式。

• 這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工作。

代碼實(shí)例：

public class Printer1 {
    private static Printer1 printer;

    private Printer1() {};

    public static Printer1 getPrinter() {
        if (null != printer) {
            printer = new Printer1();
        }
        return printer;
    }
}

這個方法可以說是非常懶漢了，單線程的首選。

接下來介紹的幾種實(shí)現(xiàn)方式都支持多線程，但是在性能上有所差異。

2、懶漢式，線程安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：易
描述：這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。
優(yōu)點(diǎn)：第一次調(diào)用才初始化，避免內(nèi)存浪費(fèi)。
缺點(diǎn)：必須加鎖 synchronized才能保證單例，但加鎖會影響效率。

• getInstance() 的性能對應(yīng)用程序不是很關(guān)鍵（該方法使用不太頻繁）。

代碼實(shí)例：

public class Printer2 {
    private static Printer2 printer;

    private Printer2() {}

    public static synchronized Printer2 getPrinter() {
        if (null != printer) {
            printer = new Printer2();
        }
        return printer;
    }
}

強(qiáng)烈不推薦使用
這種方法問題很大，雖然解決了多線程中同步的問題，但是事實(shí)上，同步只有在new第一個實(shí)例時候才有意義。但因?yàn)橛羞@個鎖，嚴(yán)重拖慢了后續(xù)的運(yùn)行。

3、餓漢式

是否 Lazy 初始化：否
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：易
描述：這種方式比較常用，但容易產(chǎn)生垃圾對象。
優(yōu)點(diǎn)：沒有加鎖，執(zhí)行效率會提高。
缺點(diǎn)：類加載時就初始化，浪費(fèi)內(nèi)存。

• 它基于 classloder 機(jī)制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時就實(shí)例化，雖然導(dǎo)致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數(shù)都是調(diào)用 getInstance 方法， 但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態(tài)方法）導(dǎo)致類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達(dá)到 lazy loading 的效果。

代碼實(shí)例：

public class Printer3 {
    private static Printer3 printer = new Printer3();

    private Printer3() {};

    public static Printer3 getPrinter() {
        return printer;
    }
}

這種饑漢式的方法已經(jīng)是單例模式中的上策，運(yùn)行速度最快。不在意有可能提前占用空間的話，放心地用吧。

4、雙檢鎖/雙重校驗(yàn)鎖（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：較復(fù)雜
描述：這種方式采用雙鎖機(jī)制，安全且在多線程情況下能保持高性能。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 在上鎖的同時還能保證較高的執(zhí)行效率。
2. 實(shí)現(xiàn)方法高大上，裝逼必備。

• getInstance() 的性能對應(yīng)用程序很關(guān)鍵。

代碼實(shí)例：

public class Printer4 {
    private static Printer4 printer = null;

    private Printer4() {};

    public static Printer4 getPrinter() {
        if (null == printer) {
            synchronized (Printer4.class) {
                if (null == printer) {
                    printer = new Printer4();
                }
            }
        }
        return printer;
    }
}

可以說從外觀上就可以發(fā)現(xiàn)這個代碼不一般了。這個方式可以一定程度上解決線程同步問題。不過也有人說這種方式會因?yàn)橹噶钪嘏哦a(chǎn)生空指針異常的問題。

5、登記式/靜態(tài)內(nèi)部類

是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：一般
描述：這種方式能達(dá)到雙檢鎖方式一樣的功效，但實(shí)現(xiàn)更簡單。對靜態(tài)域使用延遲初始化，應(yīng)使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用于靜態(tài)域的情況，雙檢鎖方式可在實(shí)例域需要延遲初始化時使用。
這種方式同樣利用了 classloder 機(jī)制來保證初始化 printer 時只有一個線程，它跟第 3 種方式不同的是：第 3 種方式只要 Printer3 類被裝載了，那么 printer 就會被實(shí)例化（沒有達(dá)到 lazy loading 效果），而這種方式是 Printer5 類被裝載了，printer 不一定被初始化。因?yàn)?Printer5Holder 類沒有被主動使用，只有通過顯式調(diào)用 getPrinter 方法時，才會顯式裝載 Printer5Holder 類，從而實(shí)例化 printer。想象一下，如果實(shí)例化 printer 很消耗資源，所以想讓它延遲加載，另外一方面，又不希望在 Printer5 類加載時就實(shí)例化，因?yàn)椴荒艽_保 Printer5 類還可能在其他的地方被主動使用從而被加載，那么這個時候?qū)嵗?printer 顯然是不合適的。這個時候，這種方式相比第 3 種方式就顯得很合理。

代碼實(shí)例：

public class Printer5 {
    private static class Printer5Holder {
        private static final Printer5 PRINTER = new Printer5();
    }

    private Printer5() {};

    public static final Printer5 getPrinter() {
        return Printer5Holder.PRINTER;
    }
}

這種方法可以嚴(yán)格遵守lazy loading，如果有l(wèi)azy loading的硬性要求，那靜態(tài)內(nèi)部類是個不錯的選擇。

6、枚舉

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：否
是否多線程安全：是
實(shí)現(xiàn)難度：易
描述：這種實(shí)現(xiàn)方式還沒有被廣泛采用，但這是實(shí)現(xiàn)單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支持序列化機(jī)制，絕對防止多次實(shí)例化。

• 這種方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多線程同步問題，而且還自動支持序列化機(jī)制，防止反序列化重新創(chuàng)建新的對象，絕對防止多次實(shí)例化。不過，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實(shí)際工作中，也很少用。
• 不能通過 reflection attack 來調(diào)用私有構(gòu)造方法。（不會被反射攻擊）

代碼實(shí)例：

public enum Printer6 {
    PRINTER;
    public void operate() {
        // 在這里實(shí)現(xiàn)一些為所欲為的方法
    }
}

簡單粗暴，高端高效，還能阻擋反射攻擊，枚舉類型，就是好！

結(jié)語：

一般情況下，不建議使用第 1 種和第 2 種懶漢方式，建議使用第 3 種餓漢方式。只有在要明確實(shí)現(xiàn) lazy loading 效果時，才會使用第 5 種登記方式。如果涉及到反序列化創(chuàng)建對象時，可以嘗試使用第 6 種枚舉方式。如果有其他特殊的需求，可以考慮使用第 4 種雙檢鎖方式。

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