Java 设计模式之单例设计模式(八种实现方法)的详解

原创

IT路宇 2022-11-17 10:20:31 博主文章分类：java笔记 ©著作权

文章标签 java 单例模式实例化线程安全 文章分类 后端开发

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单例设计模式

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。
如何实现？

实现单例模式有八种方式：

饿汉式单例模式(静态常量)
饿汉式(静态代码块)
懒汉式(线程不安全)
懒汉式(线程安全，同步方法)
懒汉式(线程安全，同步代码块)
双重检查
静态内部类
枚举

下面依次上代码说明其用法：

1.饿汉式单例模式(静态常量)

package demo8;

public class DanTest {
    public static void main(String[] args) {
        Student bank = Student.bank();
        Student bank1 = Student.bank();
        System.out.println(bank==bank1); //true
    }
}
class Student{
    //1.创建一个私有的构造器，外部不能new
    private Student(){

    }

    //2.内部创建类的对象
    //4.要求此对象必须为static的
    private static Student instance=new Student();

    //3.提供公共的方法,返回类的对象
    public static Student bank(){
        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(懒加载)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classloder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)

public class SingleTest02 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1);//true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());//instance.hashCode=644117698
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());//instance1.hashCode=644117698
    }
}

//饿汉式(静态代码块)
class Singleton {
    //1、构造器私有化，外部不能new
    private Singleton() {

    }

    //2.本类内部创建对象实例
    private static Singleton singleton;

    static {//在静态代码块中，创建单例对象
        singleton = new Singleton();
    }


    //3.提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return singleton;
    }
}

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)

public class SingleTest03 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1);//true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());//instance.hashCode=644117698
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());//instance1.hashCode=644117698
    }
}

class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去instance
    //即懒汉式
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

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.

4、懒汉式(线程安全，同步方法)

public class SingleTest04 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1);//true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());//instance.hashCode=644117698
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());//instance1.hashCode=644117698
    }
}

//懒汉式(线程安全，同步方法)
class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    //即懒汉式
    //synchronized 作用：当有一个线程在执行getInstance()方法的时候，不让别的线程去执行该方法，
    //线程在此排队，就不会造成多个线程同时去执行该方法了，解决了线程安全问题。
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

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)

public class SingleTest05 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1);//true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());//instance.hashCode=644117698
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());//instance1.hashCode=644117698
    }
}

//懒汉式(线程安全，同步代码块)
class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }


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

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)

public class SingleTest06 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1);//true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());//instance.hashCode=644117698
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());//instance1.hashCode=644117698
    }
}

//双重检查
class Singleton {
    //volatile 可以让我们的共享变量，一旦有修改值，立马保存到储存里面
    //在一定程度上，可以达到同步的效果。
    private static volatile Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

    //提供一个静态的公有方法，加入双重检查的代码，解决线程安全问题，同时解决懒加载的问题
    //同时保证了效率，推荐使用
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {//同步代码块
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

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

7、静态内部类

public class SingleTest07 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1);//true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());//instance.hashCode=644117698
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());//instance1.hashCode=644117698
    }
}

//静态内部类
class Singleton {

    private Singleton() {
    }

    //写一个静态内部类，该类中有一个静态属性Singleton
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton singleton = new Singleton();
    }

    //提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.singleton
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.singleton;
    }
}

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.

8、枚举

public class SingleTest08 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance1);//true

        System.out.println(instance.hashCode());//644117698
        System.out.println(instance1.hashCode());//644117698
        instance.sayOK();//ok
        instance1.sayOK();//ok
    }
}

//枚举
enum Singleton {

    INSTANCE;//属性

    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

单例模式的优点：由于单例模式只产生了一个实例，减少了系统性能的开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过应用在启动时直接产生一个单例对象，然后永久驻留内存的方式来解决。

单例模式注意事项和细节说明

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
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
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)