单例模式五种写法

单例模式五种写法

单例模式有五种写法：饿汉、懒汉、双重检验锁、静态内部类、枚举.

单例模式属于设计模式中的创建型模式

一、单例模式应用场景

  • windows的task manager(任务管理器)就是很典型的单例模式;

  • windows的recycle bin(回收站)也是典型的单例应用，在整个系统运行过程中，回收站一直维护仅有的一个实例;

  • 项目中，读取配置文件的类，一般也只有一个对象，没有必要每次使用配置文件数据，每次new一个对象去读取;

  • 应用程序的日志应用，一般都可用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加;

  • 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源;

  • 在spring中，每个bean默认就是单例的，这样做的优点是spring容器可以管理;

  • 在servlet编程中，每个servlet也是单例;

  • 在spring mvc框架，控制器对象也是单例;

单例模式算是设计模式中最容易理解，也是最容易手写代码的模式了。但是其中的坑却不少，所以也常作为面试题来考，本文主要对几种单例写法的整理，并分析其优缺点。

二、合格的单例模式要求

合格的单例模式的实现，至少要保证以下三点：

1. 实现单例功能；
2. 延迟加载；
3. 并发时不出错。

三、五种单例模式的实现

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 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

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1. 饿汉式

这种方式非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的

public class Singleton {private static final Singleton instance = new Singleton();private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {return instance;}
}
  • 饿汉模式的缺点：可能在还不需要此实例的时候就已经把实例创建出来了，没起到 lazy loading 效果，空间换时间:浪费内存。
  • 饿汉模式的优点：实现简单，线程安全，调用效率高。

2. 懒汉式

public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}
  • 懒汉模式的优点：弥补了饿汉模式的缺点，起到了 lazy loading 的效果，时间换空间:节约内存。
  • 懒汉模式的缺点：多线程并发时有线程安全问题，有可能创建多个实例，也就是说在多线程下不能正常工作。

3. 双重检验锁

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。

称其为双重检查锁，因为会有两次检查 instance == null，一次是在同步块外，一次是在同步块内。

public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) { //第一次检查,提高性能,避免所有的线程都去加锁和释放锁synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) { //第二次检查,确保只有一个线程创建实例instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

为什么在同步块内还要再检验一次？因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if，如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题的。**主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情: **

(1) 给 instance 分配内存(2) 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量(3) 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器(JIT)中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。 如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

解决办法: 我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 修饰就可以了，其作用是防止指令重排序

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

使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作

  • 双校验懒汉模式的优点：弥补了懒汉模式的缺点，防止了并发问题。
  • 双校验懒汉模式的缺点：因为涉及到锁，因此性能有损耗；代码变得更复杂。

4. 静态内部类-登记式

静态内部类(static nested class)

使用静态内部类的方式，也是《Effective Java》上所推荐的。

public class Singleton {  private static class SingletonHolder {  private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  }  private Singleton (){}  public static final Singleton getInstance() {  return SingletonHolder.INSTANCE; }  
}

懒汉式的变种: 静态内部类 空间换时间

首先静态内部类不会随着外部类的加载而加载 ,只有静态内部类的静态成员被调用时才会进行加载也就是初始化 ,这个就是调用静态内部类的静态成员,然后在初始化的过程中new一个对象INSTANCE

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的，同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；

  • 静态内部类单例的优点：线程安全，支持延迟加载，获取singleton对象时不需要加锁，使用方便。
  • 静态内部类单例的缺点：会增加类的数量，在第一次加载时可能会略微增加启动时间。

5. 枚举

用枚举写单例非常简单，这也是它最大的优点。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法：

public enum EasySingleton{INSTANCE;
}

我们可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例，这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的，所以不需要担心double checked locking，而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。

枚举单例优点：写法简单，实现效率高，因为枚举本身就是单例，由JVM从根本上提供保障，避免通过反射和反序列化的漏洞

枚举单例缺点：没有延迟加载，枚举实例在编译时就已经创建，无法在运行时延迟加载

四、总结

一般来说，单例模式有五种写法：饿汉、懒汉、双重检验锁、静态内部类、枚举

一般情况下，不建议使用第 2 种懒汉方式，建议使用第 1 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 4 种静态内部类登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 5 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 3 种双检锁方式。

  • 单例类的特点：
(1)单例类确保自己只有一个实例(2)单例类必须自己创建自己的实例(3)单例类必须为其他对象提供唯一的实例。
  • 单例类的优点：
(1) 控制资源的使用，通过线程同步来控制资源的并发访问。(2) 控制实例的产生数量，达到节约资源的目的。(3) 作为通信的媒介，数据共享。他可以在不建立直接关联的条件下，让多个不相关的两个线程或者多个进程之间实现通信。
  • 单例模式的主要缺点如下：
(1) 由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。(2) 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色，
提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。

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