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单例的几种写法

单例的几种写法

作者: xqiiitan | 来源:发表于2024-07-01 13:54 被阅读0次

总结:

实现单例主要有如下几个关键点:

  • 构造方法不对外开放,一般是private,防止外部实例化。
  • 通过一个静态方法返回实例对象。
  • 保证实例只有一个,尤其是多线程环境下。
  • 确保单例对象在反序列化的情况下,不会重新构建对象。

我们还是要总结下单例的实现方式:

  • 饿汉模式(多线程安全,需要处理反序列化问题)
  • 饱汉模式(多线程不安全、需要处理反序列化问题)
  • DCL(高并发会出现DCL检查失效问题,jdk 1.6之前使用volatile修饰实例变量)
  • 静态内部类(多线程安全,需要处理反序列化问题)
  • 枚举(简单、推荐、防止反序列化)
  • 使用容器实现单例模式

所谓类的单例设计模式,就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中,对某个类 只能存在一个对象实例 ,并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。
推荐使用
① 饿汉式 ,当确保单例模式一定会使用到,那么浪费内存的问题就不存在了
② 双重检查,线程安全;延迟加载;效率较高
③ 静态内部类,避免了线程不安全,利用静态内部类特点实现延迟加载,效率高
④ 枚举,避免多线程同步问题,防止反序列化重新创建新的对象

单例设计模式八种方式

  1. 饿汉式(静态常量)- 线程安全
  2. 饿汉式(静态代码块)- 线程安全
  3. 懒汉式(线程不安全)
  4. 懒汉式(线程安全,同步方法)
  5. 懒汉式(线程安全,同步代码块)
  6. 双重检查
  7. 静态内部类
  8. 枚举(Effective Java这本书,里面着重推荐的就是使用枚举的方式来实现单例模式。)
  9. 使用容器HashMap实现单例(Android 系统服务获取)

Java JDK中,java.lang.Runtime 就是经典的单例模式 ( 饿汉式,即上面第一种 )

public class Runtime {
    private Runtime(){}
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
    public static Runtime getRuntime() { return currentRuntime; }
}

Android系统下的单例模式:

// 获取WindowManager服务引用
WindowManager wm = (WindowManager) getSystemService(getApplication().WINDOW_SERVICE);

1.饿汉式(静态常量)

  1. 构造器私有化 (防止 new )
  2. 类的内部创建对象
  3. 向外暴露一个静态的公共方法。 getInstance
  4. 代码实现
//饿汉式(静态常量)
class SingleTon {
    //1.构造器私有化,外部无法通过new创建对象
    private SingleTon() {}
    //2.本类内部创建对象实例
    private final static SingleTon instance = new SingleTon();
    //3.提供一个公有的静态方法供外部使用,返回实例对象
    public static SingleTon getInstance() {
        return instance;
    }
}

优缺点说明:
优点:这种写法比较简单,就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
缺点:在类装载的时候就完成实例化,没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例,则会造成内存的浪费
这种方式基于classLoader机制避免了多线程的同步问题。不过,instance在类装载时就实例化,
在单例模式中大多数都是调用getInstance方法,但是导致类装载的原因有很多种,
因此不能确定有其他的方式(或者其他的静态方法)导致类装载,这时候初始化instance就没有达到lazy loading的效果。
结论:这种单例模式可用,可能造成内存浪费

2.饿汉式(静态代码块)

//饿汉式(静态代码块)
class SingleTon {
    //1.构造器私有化,外部无法通过new创建对象
    private SingleTon() {}
    private final static SingleTon instance ;
    //2.通过静态代码块创建对象实例
    static {
        instance = new SingleTon();
    }
    //3.提供一个公有的静态方法供外部使用,返回实例对象
    public static SingleTon getInstance() {
        return instance;
    }
}

优缺点说明:
这种方式和上面的方式其实类似,只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中,也是在类装载的时候,就执行静态代码块中的代码,初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。
结论:这种单例模式可用,但是可能造成内存浪费

3.懒汉式(线程不安全)

class SingleTon {
    //1.构造器私有化,外部无法通过new创建对象
    private SingleTon() {}
    //2.本类内部创建对象实例
    private static SingleTon instance;
    //3.提供一个公有的静态方法供外部使用,返回实例对象
    public static SingleTon getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new SingleTon3();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明 :
起到了Lazy Loading的效果,但是只能在单线程下使用。
如果在多线程下,一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块,还未来得及往下执行,另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例。
所以在多线程环境下不可使用这种方式.
结论:在实际开发中,不要使用这种方式.
在多线程环境下可能会创建多个Singleton实例。为了解决这个问题,可以使用synchronized关键字来确保线程安全:也就是下面的方式4.

4.懒汉式(线程安全,同步方法)

//懒汉式(线程安全,同步方法)
class SingleTon4 {
    //1.构造器私有化,外部无法通过new创建对象
    private SingleTon4() {}
    //2.本类内部创建对象实例
    private static SingleTon4 instance;
    //3.提供一个公有的静态方法供外部使用,加入同步处理的代码,解决线程安全问题
    public static synchronized SingleTon4 getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new SingleTon4();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明:
解决了线程不安全问题
效率太低了,每个线程在想获得类的实例时候,执行getInstance()方法都要进行同步。
而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了,后面的想获得该类实例,直接return就行了。方法进行同步效率太低.
结论:在实际开发中,不推荐使用这种方式

5.懒汉式(线程安全,同步代码块)

//懒汉式(线程安全,同步代码块)
class SingleTon {
    private SingleTon() {}
    //2.本类内部创建对象实例
    private static SingleTon instance;
    //3.提供一个公有的静态方法供外部使用,加入同步处理的代码,,解决线程安全问题
    public static synchronized SingleTon getInstance() {
        if(instance == null) {
            synchronized (SingleTon.class) {
                instance = new SingleTon();
            }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明:
这种方式,本意是想对第四种实现方式的改进,因为前面同步方法效率太低,改为同步产生实例化的的代码块
但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致,假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块,
还未来得及往下执行,另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例
结论:在实际开发中,不能使用这种方式.

6.双重检查(Double-Check)

双重检查锁定(Double-Checked Locking)可以用来提高性能,同时还能保证线程
// volatile: 1.保证“内存可见性”; 2.防止”指令重排序“

//双重检查
class SingleTon {
    //1.构造器私有化,外部无法通过new创建对象
    private SingleTon() {}
    //2.本类内部创建对象实例
    private static volatile SingleTon instance;
    //3.提供一个公有的静态方法供外部使用,加入双重检查的代码,解决线程安全和懒加载问题
    //同时保证了效率,推荐使用
    public static synchronized SingleTon getInstance() {
        if(instance == null) {
            synchronized (SingleTon.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new SingleTon(); // Line 14
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明 :

Double-Check概念是多线程开发中常使用到的,如代码中所示,我们进行了两次if (singleton == null)检查,这样就可以保证线程安全了。
这样,实例化代码只用执行一次,后面再次访问时,判断if (singleton == null),直接return实例化对象,也避免的反复进行方法同步.
线程安全;延迟加载;效率较高
结论:在实际开发中,推荐使用这种单例设计模式

如果没有volatile关键字,在第14行会出现问题。instance = new TestInstance();可以分解为3行伪代码

a. memory = allocate() //分配内存
b. ctorInstanc(memory) //初始化对象
c. instance = memory //设置instance指向刚分配的地址

上面的代码在编译运行时,可能会出现重排序从a-b-c排序为a-c-b。在多线程的情况下会出现以下问题。
当线程A在执行第5行代码时,B线程进来执行到第2行代码。假设此时A执行的过程中发生了指令重排序,即先执行了a和c,没有执行b。
那么由于A线程执行了c导致instance指向了一段地址,所以B线程判断instance不为null,会直接跳到第6行并返回一个未初始化的对象.

  1. 静态内部类
//静态内部类,推荐使用
class SingleTon7 {
    //1.构造器私有化,外部无法通过new创建对象
    private SingleTon7() {}
    //2.静态内部类,该类中有一个静态属性SingleTon
    private static class SingleTonInstance {
        private static final SingleTon7 INSTANCE = new SingleTon7();
    }
    //3.提供一个公有的静态方法供外部使用,直接返回SingleTonInstance.INSTANCE
    public static synchronized SingleTon7 getInstance() {
        return SingleTonInstance.INSTANCE;
    }
}

优缺点说明 :

这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化,而是在需要实例化时,调用getInstance方法,才会装载SingletonInstance类,从而完成Singleton的实例化。
类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,所以在这里,JVM帮助我们保证了线程的安全性,在类进行初始化时,别的线程是无法进入的。
优点:避免了线程不安全,利用静态内部类特点实现延迟加载,效率高
结论:推荐使用.

  1. 枚举
//静态内部类,推荐使用
enum SingleTon1 {
    INSTANCE;
    public void sayok() {
        System.out.println("ok~");
    }
}

优缺点说明 :

这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题,而且还能防止反序列化重新创建新的对象。
这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式
结论:推荐使用

五、单例模式注意事项和细节说明
(一)单例模式保证了 系统内存中该类只存在一个对象,节省了系统资源,对于一些需要频繁创建销毁的对象,使用单例模式可以提高系统性能
(二)当想实例化一个单例类的时候,必须要记住使用相应的获取对象的方法,而不是使用new
(三)单例模式使用的场景:需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多( 即:重量级对象 ) ,但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象( 比如数据源、 session 工厂等 )


双重校验锁 演进

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    // 私有构造函数,确保外部无法直接实例化
    private Singleton() {
    }
    // 静态工厂方法,返回此类的唯一实例
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这个实现有一个小问题,即在多线程环境下可能会创建多个Singleton实例。为了解决这个问题,可以使用synchronized关键字来确保线程安全:

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    // 私有构造函数,确保外部无法直接实例化
    private Singleton() {
    }
    // 静态工厂方法,返回此类的唯一实例
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这个实现在性能上可能会稍微有些损失,因为每次调用getInstance()都需要同步,但是它确保了在多线程环境下的正确行为。

// 2. 双检锁/双重校验锁(DCL,即 double-checked locking)(目前最常用的)
// 双重检查锁定(Double-Checked Locking)可以用来提高性能,同时还能保证线程

public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;
    // 私有构造函数,确保外部无法直接实例化
    private Singleton (){}
    // 静态工厂方法,返回此类的唯一实例
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) { // 第一层
            synchronized (Singleton.class) { // 加锁
                if (singleton == null) { // 第二层
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

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