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单例模式（Singleton Pattern）

🕗 发布于 2024-07-22 04:46 单例模式  java  

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设计模式(Design Pattern),简称DP

一、单例设计模式描述

单例模式(singleton Pattern)，涉及到一个单一的类，该类只有一个实例，并提供提个访问该实例的全局访问点（被public static修饰的方法）。

二、单例模型的特点

在上面的描述中我们能看出来,要想满足单例模式的要求,需要满足如下特点:

1.构造方法私有化（即构造方法被private修饰）,用来保证类只有一个实例对象.

2 该单例对象必须由单例类自行创建

3.内部提供一个公共静态的方法给外界进行访问（方法被public static 修饰）

构造函数的特点:

  1. 构造函数的主要作用是完成对象的初始化工作，(如果写的类里面没有构造函数,那么编译器会默认加上一个无参数且方法体为空的构造函数)。

  2. 它能够把定义对象时的参数传给对象的属性。意即当创建一个对象时,这个对象就被初始化.如果这时构造函数不为空,则会在创建对象时就执行构造函数里面的代码。

  3. 构造函数的名称必须与类名相同,包括大小写;

  4. 构造函数没有返回值,也不能用void修饰。

    如果不小心给构造函数前面添加了返回值类型，那么这将使这个构造函数变成一个普通的方法，在运行时将产生找不到构造方法的错误。

  5. 一个类可以定义多个构造方法，如果在定义类时没有定义构造方法，则编译系统会自动插入一个无参数的默认构造器，这个构造器不执行任何代码。

  6. 构造方法可以重载，以参数的个数，类型，顺序,不同来区分。

  7. 被private修饰的构造方法,只有在内部可以调用该构造方法。

三、单例模型的优势与缺点

优势

可以避免频繁创建和销毁全局使用的类实例的，有助于控制实例数目，节省系统资源。

缺点

  • 没有接口，不能继承。
  • 与Java设计的单一原则(一个类应该只关心内部逻辑，而不关心实例化方式)有冲突。

四、应用实例和使用场景

1. 应用实例

  1. 一个班级只有一个班主任.
  2. 在Windows系统中，‌任务管理器（‌Task Manager）‌，用户不能打开两个任务管理器窗口，‌因为系统确保只有一个实例在运行。‌

2. 使用场景

五、单例模式的实现方案

1.饿汉式

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
    }  
}

​ instance是一个被private static 修饰的Singleton类实例，所以此属性只能被Singleton类中的public static方法获得，由于instance是静态的属性，所以instance会在被类加载时完成初始化。

​ 在饿汉式的模型中，在调用getInstance()时会发生类加载，但是也有其他方式会导致类加载（比如调用类中的其他静态方法），我们在只有在调用getInstance()方法时才会是真正想要使用对象实例的，，这样却是无法完成懒加载(Lazy loading)的目的。

2.懒汉式

懒汉式有两种，一种是线程安全的，一种是线程不安全的，我们先来看下面线程不的这种。

（1）线程不安全的

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

​ 这种例子符合懒加载的理念，在这个类里面，只有getInstance()只有一个可以获得Singleron的接口，只有调用getInstance()方法才可以给对象初始化，并且依靠getInstance()中的if (instance == null)才会给instance赋值，如果instance已经被赋过值的话就会直接返回类中已经创建好的instance。

​ 这样的例子看起来很美好，很符合单例模型的全部要求了，可是这是线程不安全的，只适用于单线程访问。当并发访问的时候，第一个调用getInstance()方法的线程A，在判断完instance是null的时候，线程A就进入了if块准备创造实例，但是同时另外一个线程B在线程A还未创造出实例之前，就又进行了instance是否为null的判断，这时instance依然为null，所以线程B也会进入if块去创造实例，这时问题就出来了，有两个线程都进入了if块去创造实例，结果就不符合单例的设计理念了。

（2）线程安全的

​ 要想解决这个问题有一个很简单的办法，那就是加锁，由于在上面线程不安全的模型中getInstance()，每个线程都可以获取到instance导致了线程不安全，所以只需要给getInstance()加上锁，保证同一时间只有一个线程可以去完成instance的初始化，就出现了下面的模型。

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

​ 可是这样就出现了一个问题，getInstance()属于静态方法，由于线程去访问加锁的静态方法时相当于锁住了整个类，其他线程若想要访问类中的其他方法或属性也会受阻，导致效率降低。

3.双检锁(DCL)

双检锁或者说是双重校验锁（Double-checked locking）

(1)对懒汉式模型的思考与改进

​ 通过上面懒汉式模型，我们发现了其实需要加锁的阶段，只有在实例对象初始化的时候，也就是new Singleton()的时候才需要加锁，所以没必要在整个静态方法上加锁，那我们能不能想办法只在new Singleton()部分的代码块上加锁呢？

​ 好我们现在只对new Singleton()代码块加锁，改进成下面的代码：

public class Singleton {  
    private static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  //第一次检查
        synchronized (Singleton.class) {  //加锁
            if (singleton == null) {  //第二次检测
                singleton = new Singleton();  //初始化
            }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

​ 加上锁可以保证只有一个线程可以创建对象，如果第一次检查instance不为null，那么就不需要执行下面的加锁和初始化操作，在对象创建好之后，执行getInstance()方法将不需要获取锁，直接返回已创建好的对象。因此，可以大幅降低synchronized带来的性能开销。上面代码表面上看起来，似乎两全其美，其实不然。

​ 为什么说其实并不两全其美呢？

这是由于在双检索代码的实力初始化的这一过程中（singleton = new Singleton(); ）创建了一个对象。这一行代码可以分解为如下的3行伪代码。

1--memory = allocate(); // 1：分配对象的内存空间
2--ctorInstance(memory); // 2：初始化对象
3--instance = memory; // 3：设置instance指向刚分配的内存地址

三行代码的2与3之间可能会发生指令重排序顺序变为：1,3,2

  1. 给对象分配内存空间
  2. 让instance引用指向刚分配的内存地址
  3. 初始化对象

在这里插入图片描述

这样的指令重排在单线程访问时并不会影响对象初始化的过程，可是在多线程中可能就会遇到下面的问题了

线程A在执行singleton = new Singleton(); 时,另一个并发执行的线程B就有可能在第一次检查时(if (singleton == null))判断instance不为null。线程B接下来将访问instance所引用的对象(return singleton; )，但此时这个对象可能还没有被A线程初始化,此时，线程B将会访问到一个还未初始化的对象。

(2)使用volatile的双检锁（DCL）

我们要想解决上面的问题，只需要做一点小的修改（把instance声明为volatile型），就可以实现线程安全的延迟初始化。

volatile关键字的作用

保证可见性： 当一个变量被volatile修饰时，在一个线程中对该变量的修改会立即被其他线程所见。这是因为volatile修饰的变量会被立即写回主内存，并且从主内存中读取最新的值，保证了各个线程之间对变量的修改是可见的。

禁止指令重排序： volatile关键字还会禁止指令重排序优化，保证了程序执行的顺序与代码的顺序一致。这样可以防止某些情况下的线程安全问题，例如双重检查锁定问题。

这里使用volatile利用了禁止指令重排序的功能。

4.使用静态内部类实现单例模型

使用静态内部类的方式完成的单例模型，使用了懒加载进行初始化，而且可以保证线程安全的。

​ 由于SingletonHolder属于静态内部类，在Singleton类加载的时候不会加载SingletonHolder，只有调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，这样便能完成懒加载的目的，这种方式能达到和双检索相同的目的，那么这两种实现方式各自在什么时候使用呢。

​ **双检锁方式：**可在实例对象懒加载时使用

​ **使用静态内部类的单例模型：**在静态域懒加载时使用

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

5.使用枚举实现单例模型

这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。

​ 除此以外的所有的单例实现模型都是可以通过反射来打破单例的，因为通过反射可以获得私有的构造方法，使用私有构造方法可以创造新的实例，由此创建新的实例对象。只有枚举类型无法使用反射来调用私有构造方法创造新实例。

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void getmessage() {  
    }  
}

原文地址：https://blog.csdn.net/G81948577/article/details/140575087

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