[Java設(shè)計(jì)模式] 單例模式入門

猿友 2021-01-07 11:32:20 瀏覽數(shù) (2748)

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什么是單例模式

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

單例模式的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

只有一個(gè)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。
單例模式可以避免對資源的多重占用，例如一個(gè)寫文件動(dòng)作，由于只有一個(gè)實(shí)例存在內(nèi)存中，避免對同一個(gè)資源文件的同時(shí)寫操作。
單例模式可以在系統(tǒng)設(shè)置全局的訪問點(diǎn)，優(yōu)化和共享資源訪問，例如可以設(shè)計(jì)一個(gè)單例類，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)表的映射處理。

缺點(diǎn)

單例模式一般沒有接口，很難擴(kuò)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(gè)類應(yīng)該只實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯，而不關(guān)心是否是單例的。

單例模式的實(shí)現(xiàn)

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

懶漢式

懶漢式是當(dāng)用到這個(gè)對象的時(shí)候才會(huì)創(chuàng)建。
懶漢式，在需要單例模式類實(shí)例時(shí)它才創(chuàng)建出來給你（因?yàn)楹軕校?/li>
優(yōu)點(diǎn)：只有用到的時(shí)候才會(huì)創(chuàng)建這個(gè)對象，因此節(jié)省資源。
簡單的實(shí)現(xiàn)如下:

/**
  *Singleton類，單例模式類，在類加載時(shí)便會(huì)創(chuàng)建一個(gè)私有靜態(tài)變量instance，也就是該類的實(shí)
  *例，再通過公共接口getInstance()來發(fā)布該實(shí)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(gè)線程同時(shí)訪問到這個(gè)單例時(shí),還是有可能不能保證這個(gè)類就是單例的

為了保證線程安全,我們可以加鎖,給這個(gè)getInstance()方法加上線程同步鎖synchronize具體實(shí)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(shí)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(gè)線程都需要用到該單例時(shí),就無法保證速度,需要同步地等待這個(gè)單例使用完回到JVM中的堆區(qū)(Heap)才可以繼續(xù)使用這個(gè)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(shí)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(shí)例,因?yàn)樵谀承┣闆r下會(huì)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(gè)問題,但是同樣的,使用了volatile關(guān)鍵字也會(huì)對性能有一定的影響。但是優(yōu)點(diǎn)在于資源利用率高,第一次執(zhí)行g(shù)etInstance時(shí)對象才被實(shí)例化,但是DCL也因?yàn)榈谝淮渭虞d時(shí)反應(yīng)慢,所以在高并發(fā)情況下也會(huì)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(shí)候就創(chuàng)建實(shí)例。
單例模式類迫不及待的想要?jiǎng)?chuàng)建實(shí)例了（因?yàn)轲I了）
優(yōu)點(diǎn)：還沒用到就創(chuàng)建，浪費(fèi)資源。
缺點(diǎn)：在類加載的時(shí)候就創(chuàng)建，線程安全。
實(shí)現(xiàn)如下：

/**
  *這種方式在類加載時(shí)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(jī)制，避免了多線程的同步問題。如果從來沒有使用過這個(gè)實(shí)例，則會(huì)造成內(nèi)存
  *的浪費(fèi)。
  */
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(shí)候只加載一次的原理。
實(shí)現(xiàn)如下

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    //靜態(tài)塊在類加載時(shí)會(huì)被執(zhí)行，也就創(chuàng)建了Singleton類實(shí)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(shí)候不會(huì)加載內(nèi)部靜態(tài)類，使用的時(shí)候才會(huì)進(jìn)行加載。
  *第一次加載Singleton類時(shí)并不會(huì)初始化sInstance，只有第一次調(diào)用getInstance方法時(shí)虛
  *擬機(jī)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(shí)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(diǎn)就是簡單，缺點(diǎn)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(yùn)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(huì)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(diǎn)：

由于單例模式在內(nèi)存中只有一個(gè)實(shí)例，減少內(nèi)存開支，特別是一個(gè)對象需要頻繁創(chuàng)建、銷毀時(shí)，而且創(chuàng)建或銷毀時(shí)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(gè)實(shí)例，所以減少了系統(tǒng)的性能開銷，當(dāng)一個(gè)對象的產(chǎn)生需要比較多的資源時(shí)，如讀取配置、產(chǎn)生其他依賴對象時(shí)，則可通過在應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)直接產(chǎn)生一個(gè)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(gè)文件的操作，由于只有一個(gè)實(shí)例存在內(nèi)存中，避免對同一個(gè)資源文件的同時(shí)操作。
單例模式可以在系統(tǒng)設(shè)置全局的訪問點(diǎn)，優(yōu)化和共享資源訪問。例如，可以設(shè)計(jì)一個(gè)單例類，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)表的映射處理。

缺點(diǎn)：

單例模式一般沒有接口，擴(kuò)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(shí)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(shí)例化的對象長時(shí)間不被利用，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為該對象是垃圾而被回收，這可能會(huì)導(dǎo)致對象狀態(tài)的丟失；

使用場景

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

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