[Java設(shè)計模式] 單例模式入門

猿友 2021-01-07 11:32:20 瀏覽數(shù) (2842)

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什么是單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是一個比較簡單的模式，實際應(yīng)用很廣泛，比如 Spring 中的Bean實例就是一個單例對象。
定義：確保某一個類只有一個實例，而且自行實例化并向整個系統(tǒng)提供這個實例。

單例模式的優(yōu)缺點

優(yōu)點

只有一個實例，減少了內(nèi)存的開銷，尤其是頻繁的創(chuàng)建和銷毀實例。
單例模式可以避免對資源的多重占用，例如一個寫文件動作，由于只有一個實例存在內(nèi)存中，避免對同一個資源文件的同時寫操作。
單例模式可以在系統(tǒng)設(shè)置全局的訪問點，優(yōu)化和共享資源訪問，例如可以設(shè)計一個單例類，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)表的映射處理。

缺點

單例模式一般沒有接口，很難擴展（根據(jù)環(huán)境而定）。
單例模式與單一職責(zé)原則有沖突。一個類應(yīng)該只實現(xiàn)一個邏輯，而不關(guān)心是否是單例的。

單例模式的實現(xiàn)

單例模式有很多的實現(xiàn)方式，但是各種實現(xiàn)的方式都有其優(yōu)缺點，下面來看看各種的實現(xiàn)方式。
單例模式的實現(xiàn)滿足以下幾點：構(gòu)造方法私有。有一個靜態(tài)方法獲取該類的實例。該類保證只有一個實例。

懶漢式

懶漢式是當(dāng)用到這個對象的時候才會創(chuàng)建。
懶漢式，在需要單例模式類實例時它才創(chuàng)建出來給你（因為很懶）。
優(yōu)點：只有用到的時候才會創(chuàng)建這個對象，因此節(jié)省資源。
簡單的實現(xiàn)如下:

/**
  *Singleton類，單例模式類，在類加載時便會創(chuàng)建一個私有靜態(tài)變量instance，也就是該類的實
  *例，再通過公共接口getInstance()來發(fā)布該實例
  */
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;
    //私有化構(gòu)造方法防止外界new對象
    private Singleton (){
    }
    //公有化靜態(tài)函數(shù),對外暴露單例對象的接口 
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton(); 
        } 
        return instance; 
    } 
}

但是這種方式并不能保證這是唯一的單例,在高并發(fā)訪問下,多個線程同時訪問到這個單例時,還是有可能不能保證這個類就是單例的

為了保證線程安全,我們可以加鎖,給這個getInstance()方法加上線程同步鎖synchronize具體實現(xiàn)如下:

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

但是這種方式一旦加鎖,雖然可以保證其實單例且線程安全的,但是在高并發(fā)訪問下性能必然是受到影響,多個線程都需要用到該單例時,就無法保證速度,需要同步地等待這個單例使用完回到JVM中的堆區(qū)(Heap)才可以繼續(xù)使用這個單例,效率十分的低。

還有一種是雙重檢查式,兩次判斷

Double Check Lock(DCL)方式實現(xiàn)單例模式

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

我們可以看到getInstance中對instance進(jìn)行了兩次判斷是否為空,第一次判斷主要是為了避免不必要的同步問題,第二次判斷則是為了在null的情況下創(chuàng)建實例,因為在某些情況下會出現(xiàn)失效問題即DCL失效問題,可以使用volatile關(guān)鍵字處理這個問題,但是同樣的,使用了volatile關(guān)鍵字也會對性能有一定的影響。但是優(yōu)點在于資源利用率高,第一次執(zhí)行g(shù)etInstance時對象才被實例化,但是DCL也因為第一次加載時反應(yīng)慢,所以在高并發(fā)情況下也會有一定的缺陷。

餓漢式

餓漢式和懶漢式恰巧相反，在類加載的時候就創(chuàng)建實例。
單例模式類迫不及待的想要創(chuàng)建實例了（因為餓了）
優(yōu)點：還沒用到就創(chuàng)建，浪費資源。
缺點：在類加載的時候就創(chuàng)建，線程安全。
實現(xiàn)如下：

/**
  *這種方式在類加載時就完成了初始化，所以類加載較慢，但是獲取對象的速度快。這種方式
  *基于類加載機制，避免了多線程的同步問題。如果從來沒有使用過這個實例，則會造成內(nèi)存
  *的浪費。
  */
public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){
        
    }  
    public static Singleton getInstance() {  
    	return instance;  
    }  
}

匿名內(nèi)部類/靜態(tài)內(nèi)部類

利用靜態(tài)變量、靜態(tài)代碼塊、靜態(tài)方法都是在類加載的時候只加載一次的原理。
實現(xiàn)如下

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    //靜態(tài)塊在類加載時會被執(zhí)行，也就創(chuàng)建了Singleton類實例
    static{
        instance = new Singleton();
    }
    private Singleton (){
    
    }  
    public static final Singleton getInstance() {  
    	return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

/**
  *Java靜態(tài)內(nèi)部類的特性是，加載的時候不會加載內(nèi)部靜態(tài)類，使用的時候才會進(jìn)行加載。
  *第一次加載Singleton類時并不會初始化sInstance，只有第一次調(diào)用getInstance方法時虛
  *擬機加載SingletonHolder并初始化sInstance。這樣不僅能確保線程安全，也能保證
  *Singleton類的唯一性。所以，推薦使用靜態(tài)內(nèi)部類單例模式
  */
public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    	private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }
    private Singleton (){
    
    }  
    public static final Singleton getInstance() {  
    	return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

枚舉單例模式

/**
  *默認(rèn)枚舉實例的創(chuàng)建是線程安全的，并且在任何情況下都是單例。
  *枚舉單例的有點就是簡單，缺點是可讀性不高。
  */
public enum Singleton {
    //外部調(diào)用由原來的Singleton.getInstance變成了Singleton.INSTANCE了。
    INSTANCE;
}

總結(jié)

單例模式是運用頻率很高的模式，在我們客戶端通常是沒有高并發(fā)的情況，所以選擇哪種方式并不會有太大的影響。出于效率考慮，推薦使用靜態(tài)內(nèi)部類的單例模式和DCL的單例模式。

優(yōu)點：

由于單例模式在內(nèi)存中只有一個實例，減少內(nèi)存開支，特別是一個對象需要頻繁創(chuàng)建、銷毀時，而且創(chuàng)建或銷毀時性能又無法優(yōu)化，單例模式的優(yōu)勢就十分明顯。
由于單例模式只生成一個實例，所以減少了系統(tǒng)的性能開銷，當(dāng)一個對象的產(chǎn)生需要比較多的資源時，如讀取配置、產(chǎn)生其他依賴對象時，則可通過在應(yīng)用啟動時直接產(chǎn)生一個單例對象，然后用永久駐留的方式解決。
單例模式可以避免對資源的多重占用，如一個文件的操作，由于只有一個實例存在內(nèi)存中，避免對同一個資源文件的同時操作。
單例模式可以在系統(tǒng)設(shè)置全局的訪問點，優(yōu)化和共享資源訪問。例如，可以設(shè)計一個單例類，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)表的映射處理。

缺點：

單例模式一般沒有接口，擴展很困難，除非修改代碼。
單例對象如果持有Context，那么很容易引發(fā)內(nèi)存泄露，此時需要注意傳遞給單例對象的Context最好是Application Context。
不適合用于變化頻繁的對象；如果實例化的對象長時間不被利用，系統(tǒng)會認(rèn)為該對象是垃圾而被回收，這可能會導(dǎo)致對象狀態(tài)的丟失；

使用場景

網(wǎng)站訪問量計數(shù)器。
項目中用于讀取配置文件的類。
Spring中，每個Bean默認(rèn)都是單例的，這樣便于Spring容器進(jìn)行管理。

Java

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