详解单例模式的8种写法
单例模式简介
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)。
常见应用场景
- Windows的Task Manager(任务管理器)就是很典型的单例模式
- windows的Recycle Bin(回收站)也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中,回收站一直维护着仅有的一个实例。
- 项目中,读取配置文件的类,一般也只有一个对象。没有必要每次使用配置文件数据,每次new一个对象去读取。
- 网站的计数器,一般也是采用单例模式实现,否则难以同步。
- 应用程序的日志应用,一般都何用单例模式实现,这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态,因为只能有一个实例去操作,否则内容不好追加。
- 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。
- 操作系统的文件系统,也是大的单例模式实现的具体例子,一个操作系统只能有一个文件系统。
- Application 也是单例的典型应用(Servlet编程中会涉及到)
- 在Spring中,每个Bean默认就是单例的,这样做的优点是Spring容器可以管理
- 在servlet编程中,每个Servlet也是单例
- 在spring MVC框架/struts1框架中,控制器对象也是单例
- Hibernate 的 SessionFactory,它充当数据存储源的代理,并负责创建 Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的,一般情况下,一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够,这是就会使用到单例模式。
单例模式的优点
- 由于单例模式只生成一个实例,减少了系统性能开销,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,则可以通过在应用启动
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 - 单例模式可以在系统设置全局的访问点,优化环共享资源访问,例如可以设计一个单例类,负责所有数据表的映射处理
单例模式的8种实现方式
- 饿汉式(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
判断两个实例是否相同的方法
可通过对比获得的实例对象是否相同,判断单例模式
public static void main(String[] args) {
//测试
Singleton instance = Singleton.getInstance();
Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
// true (对比两个实例对象是否相同)
System.out.println(instance == instance2);
//对比两个实例对象的hashCode是否相同
System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
}
1.饿汉式(静态常量)
实现步骤
- 构造器私有化 (防止 new )
- 类的内部创建对象
- 向外暴露一个静态的公共方法。getInstance
代码实现
/**
* 饿汉式(静态变量)
*/
class Singleton {
/**
* 1. 构造器私有化, 外部能new
*/
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,返回实例对象
* @return 实例的对象
*/
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
分析
优点
饿汉式(静态常量)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。
总结
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)
代码实现
/**
* 饿汉式(静态代码块)
*/
class Singleton {
private Singleton() {}
private static Singleton instance;
// 在静态代码块中,创建单例对象
static {
instance = new Singleton();
}
/**
* 提供一个公有的静态方法,返回实例对象
* @return 实例的对象
*/
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
分析
饿汉式(静态代码块)和上面的饿汉式(静态常量)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。
总结
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)
代码实现
/**
* 懒汉式(线程不安全)
*/
class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
/**
* 提供一个静态的公有方法,当使用到该方法时,才去创建 instance,即懒汉式
* @return 实例的对象
*/
public static Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
分析
优点
懒汉式(线程不安全)起到了 Lazy Loading 的效果,但是只能在单线程下使用。
缺点
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。
总结
在实际开发中,不推荐使用这种方式
4.懒汉式(线程安全,同步方法)
代码实现
/**
* 懒汉式(线程安全,同步方法)
*/
class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
/**
* 提供一个静态的公有方法,当使用到该方法时,才去创建 instance,即懒汉式
* @return 实例的对象
*/
public static synchronized Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
分析
优点
懒汉式(线程安全,同步方法)起到了 Lazy Loading 的效果,解决了线程安全问题。
缺点
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。
总结
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)
目的是线程安全,并提高调用效率,但实际线程是不安全的。
代码实现
/**
* 懒汉式(线程安全,同步代码块)
*/
class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
/**
* 提供一个静态的公有方法,当使用到该方法时,才去创建 instance,即懒汉式。但并没有解决了线程安全问题
* @return 实例的对象
*/
public static Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
分析
优点
懒汉式(线程安全,同步代码块)起到了 Lazy Loading 的效果,但并没有解决了线程安全问题。
缺点
- 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3三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。
总结
结论:在实际开发中,不推荐使用这种方式
6.双重检查(Double-Check)
代码实现
/**
* 双重检查(Double-Check)(推荐使用)
*/
class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
/**
* 提供一个静态的公有方法,加入双重检查代码,解决线程安全问题, 同时解决懒加载问题。同时保证了效率, 推荐使用
* @return 实例的对象
*/
public static Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
分析
优点
- 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
总结
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
/**
* 静态内部类完成,(推荐使用)
*/
class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
/** 构造器私有化 */
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 INSTANCE = new Singleton();
}
/**
* 提供一个静态的公有方法,直接返回SingletonInstance.INSTANCE
* @return 静态的公有实例对象
*/
public static synchronized Singleton getInstance() {
return SingletonInstance.INSTANCE;
}
}
分析
优点
- 静态内部类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。
- 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
总结
结论:在实际开发中,推荐使用这种单例设计模式
8.枚举
使用枚举得到别的类的单例对象
/**
* 使用枚举,可以实现单例, 推荐
*/
class SingletonObject {
/** 构造器私有化 */
private SingletonObject () {}
/**
* 枚举类型是线程安全的,并且只会装载一次
*/
private enum Singleton{
INSTANCE;
private final SingletonObject instance;
Singleton(){
instance = new SingletonObject ();
}
private SingletonObject getInstance(){
return instance;
}
}
/**
* 提供一个静态的公有方法,直接返回SingletonInstance.INSTANCE
* @return 静态的公有实例对象
*/
public static SingletonObject getInstance(){
return Singleton.INSTANCE.getInstance();
}
枚举自身即为单例
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void doSomething() {
System.out.println("doSomething");
}
}
调用枚举中的方法
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Singleton.INSTANCE.doSomething();
}
}
分析
优点
- 这借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式,枚举本身就是单例模式。 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和反射的暴力破解。
- 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式
缺点
不能实现延时加载。
总结
结论:在实际开发中,推荐使用这种单例设计模式
破坏单例模式的方法及解决办法
1、除枚举方式外, 其他方法都会通过反射的方式破坏单例,反射是通过调用构造方法生成新的对象,所以如果我们想要阻止单例破坏,可以在构造方法中进行判断,若已有实例, 则阻止生成新的实例,解决办法如下:
private Singleton(){
if (instance !=null){
throw new RuntimeException("实例已经存在,请通过 getInstance()方法获取");
}
}
2、如果单例类实现了序列化接口Serializable, 就可以通过反序列化破坏单例,所以我们可以不实现序列化接口,如果非得实现序列化接口,可以重写反序列化方法readResolve(), 反序列化时直接返回相关单例对象。
public Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return instance;
}
8种实现单例模式的方法小结
- 推荐使用双重检查、静态内部类、枚举方式实现单例模式。不仅实现了懒加载(除枚举),还是实现了线程安全。
- 对比双重检查、静态内部类。枚举方式可以防止反序列化重新创建新的对象和反射的暴力破解;但是没有实现懒加载
- 在单线程下,可以使用饿汉式的静态常量和静态代码块方式实现单例模式。但是不能实现懒加载。
- 不推荐使用懒汉式实现单例模式,要么存在线程安全问题,要么存在同步效率低的问题。
如何选用合适的方式实现单例模式
单例模式在多线程环境下的效率测试
方式 | 用时 |
---|---|
饿汉式 | 22ms |
懒汉式 | 636ms |
静态内部类式 | 28ms |
枚举式 | 32ms |
双重检查 | 65ms |
ps:只是相对值(仅供参考),在不同环境下测试的值不同。
如何选用?
- 只是在单线程下使用,并且占用资源少(占用多建议使用懒加载),可以选用饿汉式。但枚举式好于饿汉式。
- 在单线程下使用,并且占用资源较多,可以使用懒汉式。(但是一般不推荐,因为现在项目一般都要使用多线程,除非确定不会使用多线程才可以使用)。
- 多线程下,并且占用资源较大,可以使用静态内部类方式和双重检查方式。
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)