java設計模式-單例模式

定義

單例模式是一種創建模式,指某個類如果采用了單例模式,則在這個類被創建后,只能產生一個實例可供外部訪問,并且提供一個全局的訪問點。

核心內容為:

  1. 將采用單例設計模式的類的構造方法私有化(采用private修飾)。
  2. 在其內部產生該類的實例化對象,并將其封裝成private static類型。
  3. 定義一個靜態方法返回該類的實例。

一、懶漢模式/飽漢模式

/**
 * 懶漢模式,也叫飽漢模式
 * 不安全,在多線程的時候不能正常工作
 */
public class Singleton {
    //定義實例變量,但是不進行初始化
    private static Singleton instance;

    //定義私有構造方法,防止外部調用使用new關鍵字創建對象
    private Singleton(){}

    //定義靜態方法,在方法被調用時進行初始化,但是問題在與多線程環境下,并發調用可能會進行多次初始化,創建多個實例
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

優點:懶漢模式的代碼書寫簡單,類Singleton被加載的時候,靜態變量instance并未被創建,且未在內存中分配空間。當類中靜態方法getInstance被調用時,初始化instance變量,并分配內存,該方法在一定情況下可以節約內存使用。
缺點:多線程并發環境下可能會初始化多個Singleton對象

二、懶漢模式/飽漢模式 簡單優化

/**
 * 懶漢模式
 * 實現線程安全的方式
 */
public class Singleton {
    //定義私有實例變量,但是不進行初始化
    private static Singleton instance;

    //定義私有構造方法,防止外部調用使用new關鍵字創建對象
    private Singleton(){}

    //定義靜態方法,使用synchronized提高安全性,確保同一時間只能有一個線程調用此方法進行初始化
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

這種實現方式,是基于上一種存在的線程安全問題進行的簡單優化,避免在多線程訪問時會發生的重復初始化的問題。

優點:在初始化方法中使用synchronized關鍵字避免在多線程訪問時,重復初始化的問題
缺點:同步方法頻繁調用時,會有效率過低的問題。

三、餓漢模式

/**
 * 餓漢模式
 * 方法安全,但是效率較低
 */
public class Singleton {
    //定義私有構造方法,防止外部調用使用new關鍵字創建對象
    private Singleton() {}

    //將自身的實例對象設置為一個屬性,并加上static和final修飾符
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    //定義靜態方法,返回實例
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

優點:書寫簡單,不存在多線程同時訪問可能會出現的問題,也避免了使用synchronized關鍵字會出現的性能問題。
缺點:當類被加載的時候,就已經初始化了靜態的類的實例,靜態變量被初始化并且分配了內存,在類被卸載之前,都將占用內存,即使該類并未被任何線程調用。在該類被卸載時,靜態變量被摧毀,并釋放占用的內存,因此,這種模式在某些特定情況下會耗費內存。

四、 餓漢模式變種

/**
 * 餓漢模式
 * 方法安全,但是效率較低
 */
public class Singleton {
    //定義私有構造方法,防止外部調用使用new關鍵字創建對象
    private Singleton() {}

    private static Singleton instance = null;

    //static代碼塊,在類被加載的時候,就開始執行,且只能執行一次
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    //定義靜態方法,返回實例
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

這種實現方式同第三種雖然表面上差別很大,但是實際是一致的

五、 靜態內部類實現方式

/**
 * 靜態內部類實現方式
 */
public class Singleton {
    private static class SingletonHandle {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    private Singleton() {}

    private static final Singleton getInstence() {
        return SingletonHandle.INSTANCE;
    }
}

這種實現方式在類被加載的時候,并不像是前幾種方法一樣,直接創建實例,而是在進行調用getInstence()方法后,才創建實例。這種方法適用于某些情況下,創建實例可能會更消耗資源,因此需要在需要的時候再進行實例的創建,避免資源的浪費。顯而易見,這種方式并不能適用于我們調用就需要使用實例的情況。

六、 枚舉實現

public enum Singleton{
    INSTENCE;
}

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,而且還能防止反序列化重新創建新的對象,可謂是很堅強的壁壘。但是由于enum對象是1.5版本之后才加入的,因此這種方式使用比較生疏,且在日常編程中,較少有人使用。

七、 單例模式最優實現方案

public class Singleton {
    //定義私有構造方法,防止外部調用使用new關鍵字創建對象
    private Singleton() {}

    //定義私有實例變量,但是不進行初始化,使用volatile保證了多線程訪問時instance的可見性,避免instance初始化時其他變量屬性還未賦值完時,被另外的線程調用
    private static volatile Singleton instance;

    //定義靜態的公開初始化實例方法
    public static Singleton getInstance() {
        //實例是否已經初始化,如果實例已經初始化,不使用同步代碼塊,直接返回實例,提高效率,
        if (instance == null) {
            //如果實例還未初始化,同步代碼塊,保證多線程請求情況下,對象被初始化一次后,不再被重復初始化
            synchronized (Singleton.class) {
                //如果實例還未初始化,則初始化實例
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

這種模式為單例模式最佳實現方案,內存占用率低,在需要的時候才進行實例的初始化,且通過使用synchronized關鍵字進行同步代碼塊,避免多線程訪問時實例重復初始化的問題,更安全。

其實可以通過使用反射的方式,調用類中的私有構造方法,此時基本上所有的單例模式都會失效。
本文章不討論反射情況下單例模式的問題,默認沒有反射,此文章主要針對面試時可能會提問到的內容。

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