單例模式 - 天天看點

單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單的設計模式之一。這種類型的設計模式屬于建立型模式，它提供了一種建立對象的最佳方式。

這種模式涉及到一個單一的類，該類負責建立自己的對象，同時確定隻有單個對象被建立。這個類提供了一種通路其唯一的對象的方式，可以直接通路，不需要執行個體化該類的對象。

注意：

1、單例類隻能有一個執行個體。

2、單例類必須自己建立自己的唯一執行個體。

3、單例類必須給所有其他對象提供這一執行個體。

意圖：保證一個類僅有一個執行個體，并提供一個通路它的全局通路點。

主要解決：一個全局使用的類頻繁地建立與銷毀。

何時使用：當您想控制執行個體數目，節省系統資源的時候。

如何解決：判斷系統是否已經有這個單例，如果有則傳回，如果沒有則建立。

關鍵代碼：構造函數是私有的。

應用執行個體：

1、一個班級隻有一個班主任。

2、Windows 是多程序多線程的，在操作一個檔案的時候，就不可避免地出現多個程序或線程同時操作一個檔案的現象，是以所有檔案的處理必須通過唯一的執行個體來進行。

3、一些裝置管理器常常設計為單例模式，比如一個電腦有兩台列印機，在輸出的時候就要處理不能兩台列印機列印同一個檔案。

優點：

1、在記憶體裡隻有一個執行個體，減少了記憶體的開銷，尤其是頻繁的建立和銷毀執行個體（比如管理學院首頁頁面緩存）。

2、避免對資源的多重占用（比如寫檔案操作）。

缺點：沒有接口，不能繼承，與單一職責原則沖突，一個類應該隻關心内部邏輯，而不關心外面怎麼樣來執行個體化。

使用場景：

1、要求生産唯一序列号。

2、WEB 中的計數器，不用每次重新整理都在資料庫裡加一次，用單例先緩存起來。

3、建立的一個對象需要消耗的資源過多，比如 I/O 與資料庫的連接配接等。

注意事項：getInstance() 方法中需要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class) 防止多線程同時進入造成 instance 被多次執行個體化。

我們将建立一個 SingleObject 類。SingleObject 類有它的私有構造函數和本身的一個靜态執行個體。

SingleObject 類提供了一個靜态方法，供外界擷取它的靜态執行個體。SingletonPatternDemo 類使用 SingleObject 類來擷取 SingleObject 對象。

建立一個 Singleton 類。

public class SingleObject {

//建立 SingleObject 的一個對象

private static SingleObject instance = new SingleObject();

//讓構造函數為 private，這樣該類就不會被執行個體化

private SingleObject(){}

//擷取唯一可用的對象

public static SingleObject getInstance(){

return instance;

}

public void showMessage(){

System.out.println("Hello World!");

從 singleton 類擷取唯一的對象。

public class SingletonPatternDemo {

public static void main(String[] args) {

//不合法的構造函數

//編譯時錯誤：構造函數 SingleObject() 是不可見的

//SingleObject object = new SingleObject();

SingleObject object = SingleObject.getInstance();

//顯示消息

object.showMessage();

執行程式，輸出結果：

單例模式的實作有多種方式，如下所示：

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：否

實作難度：易

描述：這種方式是最基本的實作方式，這種實作最大的問題就是不支援多線程。因為沒有加鎖 synchronized，是以嚴格意義上它并不算單例模式。

這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工作。

public class Singleton {

private static Singleton instance;

private Singleton (){}

public static Singleton getInstance() {

if (instance == null) {

instance = new Singleton();

接下來介紹的幾種實作方式都支援多線程，但是在性能上有所差異。

是否多線程安全：是

描述：這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。

優點：第一次調用才初始化，避免記憶體浪費。

缺點：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。

getInstance() 的性能對應用程式不是很關鍵（該方法使用不太頻繁）。

public static synchronized Singleton getInstance() {

是否 Lazy 初始化：否

描述：這種方式比較常用，但容易産生垃圾對象。

優點：沒有加鎖，執行效率會提高。

缺點：類加載時就初始化，浪費記憶體。

它基于 classloader 機制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時就執行個體化，雖然導緻類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數都是調用 getInstance 方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的靜态方法）導緻類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達到 lazy loading 的效果。

private static Singleton instance = new Singleton();

JDK 版本：JDK1.5 起

實作難度：較複雜

描述：這種方式采用雙鎖機制，安全且在多線程情況下能保持高性能。

getInstance() 的性能對應用程式很關鍵。

private volatile static Singleton singleton;

public static Singleton getSingleton() {

if (singleton == null) {

synchronized (Singleton.class) {

singleton = new Singleton();

return singleton;

實作難度：一般

描述：這種方式能達到雙檢鎖方式一樣的功效，但實作更簡單。對靜态域使用延遲初始化，應使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式隻适用于靜态域的情況，雙檢鎖方式可在執行個體域需要延遲初始化時使用。

這種方式同樣利用了 classloader 機制來保證初始化 instance 時隻有一個線程，它跟第 3 種方式不同的是：第 3 種方式隻要 Singleton 類被裝載了，那麼 instance 就會被執行個體化（沒有達到 lazy loading 效果），而這種方式是 Singleton 類被裝載了，instance 不一定被初始化。因為 SingletonHolder 類沒有被主動使用，隻有通過顯式調用 getInstance 方法時，才會顯式裝載 SingletonHolder 類，進而執行個體化 instance。想象一下，如果執行個體化 instance 很消耗資源，是以想讓它延遲加載，另外一方面，又不希望在 Singleton 類加載時就執行個體化，因為不能確定 Singleton 類還可能在其他的地方被主動使用進而被加載，那麼這個時候執行個體化 instance 顯然是不合适的。這個時候，這種方式相比第 3 種方式就顯得很合理。

private static class SingletonHolder {

private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

public static final Singleton getInstance() {

return SingletonHolder.INSTANCE;

描述：這種實作方式還沒有被廣泛采用，但這是實作單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支援序列化機制，絕對防止多次執行個體化。

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，而且還自動支援序列化機制，防止反序列化重新建立新的對象，絕對防止多次執行個體化。不過，由于 JDK1.5 之後才加入 enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實際工作中，也很少用。

不能通過 reflection attack 來調用私有構造方法。

public enum Singleton {

INSTANCE;

public void whateverMethod() {

經驗之談：一般情況下，不建議使用第 1 種和第 2 種懶漢方式，建議使用第 3 種餓漢方式。隻有在要明确實作 lazy loading 效果時，才會使用第 5 種登記方式。如果涉及到反序列化建立對象時，可以嘗試使用第 6 種枚舉方式。如果有其他特殊的需求，可以考慮使用第 4 種雙檢鎖方式。