原创

设计模式 -- 单例模式

定义

单例模式,属于创建型模式。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。

何时使用

当想控制实例数目,节省系统资源的时候。

关键

构造函数必须是私有的。

应用场景

  • 服务控制器
  • 服务工厂
  • 创建的一个对象需要消耗的资源过多,比如 I/O 与数据库的连接等。

各种写法

1、懒汉式,线程不安全

是否 Lazy 初始化 是否多线程安全 实现难度
public class Singleton {  
      private static Singleton instance;  

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

懒汉模式申明了一个静态对象,在用户第一次调用时初始化,虽然节约了资源,但第一次加载时需要实例化,反映稍慢一些。而且不支持多线程。因为没有加锁 synchronized,在多线程不能正常工作。所以严格意义上它并不算单例模式。

2、懒汉式,线程安全

是否 Lazy 初始化 是否多线程安全 实现难度
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  

    private Singleton (){}  

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

这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作,但是,效率很低,99% 情况下不需要同步。

优点:第一次调用才初始化,避免内存浪费。
缺点:必须加锁 synchronized 才能保证单例,但加锁会影响效率。

3、饿汉式

是否 Lazy 初始化 是否多线程安全 实现难度
public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  

    private Singleton (){}  

    public static Singleton getInstance() {  
             return instance;  
    }  
}

这种方式在类加载时就完成了初始化,所以类加载较慢,但获取对象的速度快。

它基于 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,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法, 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。

优点:没有加锁,执行效率会提高。
缺点:类加载时就初始化,浪费内存。容易产生垃圾对象。

4、双检锁/双重校验锁(DCL,即 double-checked locking)

是否 Lazy 初始化 是否多线程安全 实现难度
较复杂
public class Singleton {  
      private volatile static Singleton instance;  

      private Singleton (){
      }   

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

这种方式采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。 在getSingleton方法中对singleton进行了两次判空,第一次是为了不必要的同步,第二次是在singleton等于null的情况下才创建实例。

这里用了volatile关键字,双重检查模式也是正确使用volatile关键字的场景之一。

DCL优点是资源利用率高,第一次执行getInstance时单例对象才被实例化,效率高。
缺点是第一次加载时反应稍慢一些,在高并发环境下也有一定的缺陷,虽然发生的概率很小。

DCL虽然在一定程度解决了资源的消耗和多余的同步,线程安全等问题,但是它还是在某些情况会出现失效的问题,也就是DCL失效,在《java并发编程实践》一书建议用 静态内部类单例模式 来替代DCL。

5、登记式/静态内部类单例模式

是否 Lazy 初始化 是否多线程安全 实现难度
一般
public class Singleton { 
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  

    private Singleton(){
    }

    public static Singleton getInstance(){  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单。对静态域使用延迟初始化,应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况,双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程. 第一次加载Singleton类时并不会初始化 INSTANCE,只有第一次调用getInstance方法时虚拟机加载SingletonHolder 并初始化 INSTANCE ,这样不仅能确保线程安全也能保证Singleton类的唯一性.

如果实例化 instance 很消耗资源,所以想让它延迟加载,另外一方面,又不希望在 Singleton 类加载时就实例化,因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。因此推荐使用静态内部类单例模式。

6、枚举单例

是否 Lazy 初始化 是否多线程安全 实现难度
public enum Singleton {  
     INSTANCE;  

     public void doSomeThing() {  
     }  
 }

这种实现方式还没有被广泛采用,但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。

这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式,它不仅能避免多线程同步问题,而且还自动支持序列化机制,防止反序列化重新创建新的对象,绝对防止多次实例化。

闲谈

一般情况下,建议使用第 3 种饿汉方式。
只有在要明确实现 lazy loading 效果时,使用第 5 种方式。
如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用第 6 种枚举方式。
如果有其他特殊的需求,可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

在互联网项目中,考虑到项目和业务场景的复杂性,大部分都是使用第4种或者第5种方式,全面覆盖各种场景。

正文到此结束
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