单例模式


单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最简单的设计模式之一。这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

一句话概括,全局有且只有一个对象,并能够全局访问得到。

单例模式的核心有以下几点:

  1. 构造方法私有,防止外部调用创建实例,私有静态引用指向自己实例
  2. 确保多线程并发下只有一个实例被创建
  3. 注重效率的场景

使用场景

许多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象,这样有利于我们协调系统整体的行为。以下为一些常见的场景:

  • 服务器的配置信息的读取,一般应用单例模式,这个是由于配置文件是共享的资源。
  • 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。数据库软件系统中使用数据库连接池,主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗,这种效率上的损耗还是非常昂贵的,因为何用单例模式来维护,就可以大大降低这种损耗。
  • 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式,这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。
  • Spring 管理的 Bean 默认也都是单例模式

总结以下不难看出,单例模式应用的场景一般发现在以下条件下:

  1. 资源共享的情况下,避免由于资源操作时导致的性能或损耗等。如上述中的应用配置。
  2. 控制资源的情况下,方便资源之间的互相通信。如线程池等。

但是如果单例不需要维护任何状态,仅仅提供全局访问的方法,这种情况应该考虑使用静态类,静态方法比单例更快,因为静态的绑定是在编译期就进行。

实现方式

单例模式有多种实现方式,不同的实现方式适用不同的场景,下面简单总结一下

懒汉式(第一次使用时才创建实例)

public class Singleton1 {
    private Singleton1() {
    }
    private static Singleton1 singleton1;
    public synchronized static Singleton1 getInstance(){
        if (singleton1 == null){
            singleton1 = new Singleton1();
        }
        return singleton1;
    }
}

这种方式虽然线程安全,但是每次调用都有加锁的操作(其实只有第一次才有用),会对程序的性能产生影响,因此并不是很常用!更常见的是下面这种双重锁的实现方式!

双重锁方式(推荐使用)

注意需要对静态变量(线程共享)加上 volatile 修饰使线程之间实现可见性,要不然仍然是线程不安全的。还需要注意的一点是在同步代码块(synchronized)里外都需要做一次是否为 null 的判断,外面的判断是为了实例创建好以后再次访问避免加锁影响性能;里面的判断是为了线程安全,试想两个线程 t1 和 t2 并发访问 getInstance 方法,执行到 synchronized 的时候 t1 先拿到锁,然后创建了实例并返回,这时 t2 获取到锁,如果在里面不再加一层 null 的判断,就会直接进入内部创建实例了!

/**
 * 单例模式的双重锁方式实现
 */
public class Singleton2 {
    private static volatile Singleton2 singleton2;
    private Singleton2() {
    }
    public static Singleton2 getInstance() {
        if (singleton2 == null) {
            synchronized (Singleton2.class) {
                if (singleton2 == null){
                    singleton2 = new Singleton2();
                }
            }
        }
        return singleton2;
    }
}

这种采用双锁机制的方式,安全且在多线程情况下能保持高性能。除了代码稍显繁琐意外可以推荐使用!

饿汉式(直接创建类实例)不推荐

/**
 * 单例模式的饿汉方式实现
 */
public class Singleton3 {
    private static Singleton3 singleton3 = new Singleton3();
    private Singleton3() {
    }
    public static Singleton3 getInstance() {
        return singleton3;
    }
}

这种方式最简单,也没有并发问题和效率问题,但是在类加载时就初始化,有些浪费内存,因为有可能这个方法自始至终都不会被调用到,尤其是在一些对外提供的工具包或 API 时应该尽量避免这种方式。

静态内部类方式(推荐使用)

这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单。它利用了 JVM 的类机制来保证初始化 instance 时只有一个线程。并且外部类加载时并不需要立即加载内部类,这就实现了 lazy Load 的效果。只有在第一次显式调用 getInstance 方法时,才会装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。

/**
 * 单例模式的静态内部类实现方式
 */
public class Singleton4 {
    private Singleton4() {
    }
    private static class InnerClass {
        private static final Singleton4 singleton4 = new Singleton4();
    }
    public static Singleton4 getInstance() {
        return InnerClass.singleton4;
    }
}

枚举方式

这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式,他认为单元素的枚举类型被作者认为是实现 Singleton 的最佳方法。这种方式不仅能避免多线程同步问题,而且还自动支持序列化机制,防止反序列化和反射攻击重新创建新的对象,绝对防止多次实例化。

/**
 * 单例模式的枚举方式实现
 */
public enum Singleton5 {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod(){
        //do what you want
    }
}

这种方式的原理是什么呢?趁这个机会在这里好好梳理一下枚举的概念。

枚举是 JDK5 中提供的一种语法糖,所谓语法糖就是在计算机语言中添加的某种语法,这种语法对语言的功能并没有影响,但是但是更方便程序员使用。只是在编译器上做了手脚,却没有提供对应的指令集来处理它。

其实 Enum 就是一个普通的类,它继承自 java.lang.Enum 类,这个可以通过反编译枚举类的字节码来理解。

使用 javac Singleton5.java 得到字节码文件 Singleton5.class 使用 javap Singleton5.class 反解析字节码文件可以得到下面的内容:

public final class Singleton5 extends java.lang.Enum<Singleton5> {
  public static final Singleton5 INSTANCE;
  public static Singleton5[] values();
  public static Singleton5 valueOf(java.lang.String);
  public void whateverMethod();
  static {};
}

javap 是 jdk 自带的反解析工具。它的作用就是根据 class 字节码文件,反解析出当前类对应的 code 区(汇编指令)、本地变量表、异常表和代码行偏移量映射表、常量池等等信息。

由反编译后的代码可知,INSTANCE 被声明为 static 的,虚拟机会保证一个类的 <clinit>()方法在多线程环境中被正确的加锁、同步。所以,枚举实现在实例化时是线程安全。

另外 Java 规范中规定,每一个枚举类型及其定义的枚举变量在 JVM 中都是唯一的,因此在枚举类型的序列化和反序列化上,Java 做了特殊的规定。在序列化的时候 Java 仅仅是将枚举对象的 name 属性输出到结果中,反序列化的时候则是通过 java.lang.Enum 的 valueOf() 方法来根据名字查找枚举对象,因此反序列化后的实例也会和之前被序列化的对象实例相同。

总结

一般情况下,使用饿汉方式即可,简单又不涉及线程安全和效率问题。其它需要实现懒加载的场景中使用双重锁(常规)、静态内部类(较常规)或者枚举(炫技)的方式都行。

参考

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