设计模式之——单例模式

一、介绍

什么是单例模式?单例模式就是采取一定的方法保证在整个系统中,只能存在一个对象实例。该类提供一个静态方法返回对象实例。

为什么要采用单例模式?

  1. 资源共享: 当你需要多个对象共享某些资源(如数据库连接池、线程池、缓存等)时,可以使用单例模式确保所有对象都使用同一个实例,避免资源的浪费和冲突。

  2. 全局访问点: 在某些情况下,需要全局访问一个对象,例如日志记录器、配置管理器等,这时可以使用单例模式确保在整个应用程序中只有一个实例,并且可以在任何地方方便地访问它。

  3. 控制实例数量: 单例模式可以限制类的实例化次数,确保只有一个实例存在。这在某些情况下是必要的,例如线程池中只需要有固定数量的线程实例。

  4. 懒加载: 在需要时才创建对象实例,延迟实例化。这可以节省资源,提高性能,尤其是当对象的初始化开销较大时。

  5. 保持一致性: 有些对象在系统中只应该有一个实例存在,例如系统配置信息或应用程序状态等。使用单例模式可以确保这些对象始终保持一致性。

采用单例模式的好处是什么?

  • 节省资源: 单例模式可以节省系统资源,因为它限制了对象实例的数量。
  • 简化访问: 全局访问点使得对象可以在任何地方轻松访问,提高了代码的可维护性和可读性。
  • 确保一致性: 单例模式可以确保某些对象始终保持一致性,避免了状态的不一致性。

二、饿汉式单例

1、静态常量饿汉式

public class Singleton {
    // 静态常量,类加载时即创建
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    // 私有构造函数,防止外部类实例化
    private Singleton() {}
    
    // 获取单例实例的静态方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    
}

优点:写法简单,在类装载的时候完成了实例化,避免了线程安全的问题。

缺点:没有达到 懒加载的效果。如果系统中没有使用到这个实例,就会造成内存浪费。

2、静态代码块饿汉式

public class Singleton {

    private static Singleton instance;
    
    static{
        instance = new Singleton();
    }

    // 私有构造函数,防止外部类实例化
    private Singleton() {}
    
    // 获取单例实例的静态方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    
}

优缺点同上,只是改变了代码方式。

三、懒汉式单例

1、线程不安全的懒汉式

public class Singleton {
    // 私有静态变量,初始值为 null
    private static Singleton instance;
    
    // 私有构造函数,防止外部类实例化
    private Singleton() {}
    
    // 获取单例实例的静态方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 判断实例是否已经创建,如果未创建,则创建新实例
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
    
}

优点:起到了懒加载的作用

缺点:只能在单线程下去使用,在多线程环境下,可能存在两个线程同时进去了if语句造成创建多个实例。在开发过程中,禁止使用这种方式。

2、线程安全的懒汉式

public class Singleton {
    // 私有静态变量,初始值为 null
    private static Singleton instance;
    
    // 私有构造函数,防止外部类实例化
    private Singleton() {}
    
    // 获取单例实例的静态方法,使用synchronized关键字保证只有一个线程执行方法。
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        // 判断实例是否已经创建,如果未创建,则创建新实例
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
    
}

优点:解决了线程不安全问题

缺点:效率低下,每个线程在执行getInstance()方法时都需要等待其他线程释放锁,但在正常情况中,只需要有一个线程创建一次实例,其他线程直接获取返回值就可以了,因此在实际开发中仍然不推荐使用。

3、双重检查的懒汉式(推荐使用)

使用了volatile关键字,这个关键字修饰的变量对所有线程可见。关于该关键字的详细解释请看:多线程-并发编程、面试难点(线程合集)-CSDN博客

public class Singleton {
    // 私有静态变量,初始值为 null
    private static volatile Singleton instance;
    
    // 私有构造函数,防止外部类实例化
    private Singleton() {}
    
    // 获取单例实例的静态方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 双重判定解决线程安全问题,既保证了可以多线程访问,又保证了线程安全的问题。
        if (instance == null) {
            synchronized(singleton.class){
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    
}

优点:线程安全;懒加载;效率高;

缺点:无缺点,已经拉满了,开发中推荐使用!

4、静态内部类实现懒汉式(推荐使用)

这个实现原理是根据Java中类加载的顺序,在Singleton类加载时并不会加载静态内部类,而是只有在第一次调用的时候才会加载,借助这个类加载机制我们可以实现懒加载的单例。

public class Singleton {
    
    // 私有构造函数,防止外部类实例化
    private Singleton() {}

    //使用静态内部类完成懒汉式单例
    private static class SingletonInstance{
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    // 获取单例实例的静态方法
    public static Singleton getInstance() {
        
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
    
}

5、枚举实行单例模式(推荐使用)

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    // 枚举方法
    public void doSomething() {
        System.out.println("Singleton instance is doing something.");
    }

}

  1. 线程安全: 枚举类型在 Java 中是线程安全的,因此不需要额外的同步措施来保证线程安全性。

  2. 简洁明了: 使用枚举实现单例模式代码简洁清晰,不需要手动编写单例模式的实现逻辑。

  3. 序列化安全: 枚举类型默认实现了 Serializable 接口,并且在反序列化时保证只会创建一个实例,因此可以保证序列化和反序列化的安全性。

  4. 防止反射攻击: 枚举类型的实现方式可以防止通过反射来创建多个实例的情况,确保单例的唯一性。

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