GoF 设计模式 | 单例模式

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Peision
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发布于: 2020 年 07 月 22 日
GoF设计模式 | 单例模式

今天来学习23种设计模式的第一种,单例模式,同时也是设计模式中最简单的模式之一。

概念:

所谓类的单例模式,就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中,对某个类只能存在一个对象实例,并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。

特点:



  • 单例类只有一个实例对象;

  • 该单例对象必须由单例类自行创建;

  • 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。



类图分析:





单例模式的八种实现方式:



1.饿汉式(静态常量)



代码实现:

package cn.ppdxzz.singleton.method01;
/**
* Description:第一种:饿汉式(静态常量)
* @Author: PeiChen
*/
public class Singleton01 {
public static void main(String[] args) {
//测试用例
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println(instance1 == instance2);//输出为true
}
}
//重点
class Singleton {
//1.构造器私有化(防止直接new一个instance对象)
private Singleton() {}
//2.本类的内部创建一个对象实例
private final static Singleton instance = new Singleton();
//3.提供一个公有的静态方法(getInstance),返回instance实例对象
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}



描述:

  • 这种写法比较简单,就是在类装载的时候就完成了实例化,避免了线程同步问题。

  • 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。

  • 它基于 classloader 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。

  • 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)

代码实现:

package cn.ppdxzz.singleton.method02;
/**
* Description:第二种:饿汉式(静态代码块)
* @Author: PeiChen
*/
public class Singleton01 {
public static void main(String[] args) {
//测试用例
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println(instance1 == instance2);//输出仍为true
}
}
//重点
class Singleton {
//1.构造器私有化(防止直接new一个instance对象)
private Singleton() {}
//2.本类内部创建一个对象实例
private static Singleton instance;
static {//静态代码块在类加载时执行,创建一个单例对象
instance = new Singleton();
}
//3.提供一个公有的静态方法(getInstance),返回instance实例对象
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}



描述:

  • 这种方式和饿汉式(静态常量) 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,也是在类装载时,就执行静态代码块中的代码,初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

  • 结论:这种单例模式可用,但是可能造成内存浪费。



3.懒汉式(线程不安全)

代码实现:

package cn.ppdxzz.singleton.method03;
/**
* Description:第三种:懒汉式(线程不安全)
* @Author: PeiChen
*/
public class Singleton01 {
public static void main(String[] args) {
//测试用例
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println("instance1.hashCode = " + instance1.hashCode());
System.out.println("instance2.hashCode = " + instance2.hashCode());
System.out.println(instance1 == instance2);//输出仍为true
}
}
//重点
class Singleton {
//1.构造器私有化(防止直接new一个instance对象)
private Singleton() {}
//2.本类内部创建一个对象实例
private static Singleton instance;
//3.提供一个静态的公有方法,当使用到该方法时,才去创建返回instance实例对象,即懒汉式,用时才创建
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}



描述:



  • 起到了 Lazy Loading 的效果,但是只能在单线程下使用。

  • 如果在多线程下,一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块,还未来得及往下执行时,另一个新的线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例,违背了单例模式。所以在多线程环境下不可使用这种方式 。

  • 结论: 实际开发中,避免使用这种方式 。



4.懒汉式(线程安全,同步方法)

代码实现:

package cn.ppdxzz.singleton.method04;
/**
* Description:第四种:懒汉式(线程安全,同步方法)
*
* @Date: 2020/3/4 13:47
* @Author: PeiChen
*/
public class Singleton01 {
public static void main(String[] args) {
//测试用例
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println("instance1.hashCode = " + instance1.hashCode());//instance1.hashCode = 189568618
System.out.println("instance2.hashCode = " + instance2.hashCode());//instance2.hashCode = 189568618
System.out.println(instance1 == instance2);//输出仍为true
}
}
class Singleton {
//1.构造器私有化(防止直接new一个instance对象)
private Singleton() {}
//2.本类内部创建一个对象实例
private static Singleton instance;
//3.提供一个静态的公有方法,加入同步处理的代码,解决线程安全问题
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}



描述:



  • 解决了线程安全问题。

  • 方法进行同步效率太低 。每个线程在想要获得类的实例时,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,后面再想获得该类实例,直接return就可以了。

  •  结论: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)

代码实现:

package cn.ppdxzz.singleton.method05;
/**
* Description:第五种:懒汉式(线程安全,同步代码块)
* @Author: PeiChen
*/
public class Singleton01 {
public static void main(String[] args) {
//测试用例
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println("instance1.hashCode = " + instance1.hashCode());//instance1.hashCode = 189568618
System.out.println("instance2.hashCode = " + instance2.hashCode());//instance2.hashCode = 189568618
System.out.println(instance1 == instance2);//输出仍为true
}
}
class Singleton {
//1.构造器私有化(防止直接new一个instance对象)
private Singleton() {}
//2.本类内部创建一个对象实例
private static Singleton instance;
//3.提供一个静态的公有方法,加入同步处理的代码,解决线程安全问题
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
//重点
synchronized (Singleton.class) {
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}



描述:



  • 这种方式,本意是想对第四种实现方式(懒汉式(线程安全,同步方法))进行改进,因为前面同步方法效率太低, 改为同步产生实例化的代码块。

  • 但是这种同步方式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 == null)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:实际开发中,不能使用这种方式 。



6.双重检查

package cn.ppdxzz.singleton.method06;
/**
* Description:第六种:双重检查
* @Author: PeiChen
*/
public class Singleton01 {
public static void main(String[] args) {
//测试用例
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println("instance1.hashCode = " + instance1.hashCode());//instance1.hashCode = 189568618
System.out.println("instance2.hashCode = " + instance2.hashCode());//instance2.hashCode = 189568618
System.out.println(instance1 == instance2);//输出仍为true
}
}
class Singleton {
//1.构造器私有化(防止直接new一个instance对象)
private Singleton() {}
//2.本类内部创建一个对象实例
private static Singleton instance;
//3.双重检查,两次判断instance == null
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}



代码实现:



描述:



  • 双重检查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。

  • 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。

  • 线程安全;延迟加载;效率较高。

  • 结论:实际开发中,推荐使用这种单例设计模式



7.静态内部类

代码实现:

package cn.ppdxzz.singleton.method07;
/**
* Description:第七种:静态内部类
* @Author: PeiChen
*/
public class Singleton01 {
public static void main(String[] args) {
//测试用例
Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
System.out.println("instance1.hashCode = " + instance1.hashCode());//instance1.hashCode = 793589513
System.out.println("instance2.hashCode = " + instance2.hashCode());//instance2.hashCode = 793589513
System.out.println(instance1 == instance2);//输出仍为true
}
}
class Singleton {
//1.构造器私有化(防止直接new一个instance对象)
private Singleton() {}
//2.静态内部类,该类中有一个静态属性Singleton
private static class SingletonInstance {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
//3.提供一个公有的静态方法,用于返回INSTANCE实例
public static Singleton getInstance() {
return SingletonInstance.INSTANCE;
}
}



描述:



  • 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。

  • 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。

  • 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。

  • 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。

  • 结论:实际开发中,推荐使用这种单例设计模式



8.枚举



代码实现:

package cn.ppdxzz.singleton.method08;
/**
* Description:第八种:枚举
* @Author: PeiChen
*/
public class Singleton01 {
public static void main(String[] args) {
//测试用例
Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;
Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
System.out.println("instance1.hashCode = " + instance1.hashCode());//instance1.hashCode = 189568618
System.out.println("instance2.hashCode = " + instance2.hashCode());//instance1.hashCode = 189568618
System.out.println(instance1 == instance2);//输出仍为true
}
}
enum Singleton {
INSTANCE;
public void method() {
}
}



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。

  • 结论:实际开发中,推荐使用这种单例设计模式



JDK源码分析:



JDK中,java.lang.Runtime就是经典的单例模式(饿汉式) 



单例模式总结:



  • 单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象,节省了系统资源,对于一些需要频繁创建销毁的对象,使用单例模式可以提高系统性能。

  • 当想实例化一个单例类的时候,必须要记住使用相应的获取对象的方法,而不是使用new关键字。

  • 单例模式使用的场景:需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即:重量级对象),但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session工厂等)。



今天的单例模式就总结到这里,下期是第二种设计模式——工厂方法模式,敬请期待。



发布于: 2020 年 07 月 22 日 阅读数: 5
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除非我不想赢,否则没人能让我输! 2020.07.03 加入

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