设计模式 | 详解单例模式（饿汉式、懒汉式、静态内部类、枚举、JDK源码剖析）

一、单例模式介绍

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，对于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）。

比如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，这时就会使用到单例模式。

二、单例模式的七种方式

单例模式有以下七种方式

  • 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）
  • 懒汉式之双重检查（线程安全，同步代码块）
  • 静态内部类
  • 枚举

1、饿汉式（静态常量）

步骤如下：

  • 构造器私有化（防止new）
  • 在类的内部创建对象
  • 向外暴露一个静态的公共方法（getInstance）
package com.cxc.singleton.type1;

public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton == singleton1);
    }
}

/**
 * 饿汉式（静态变量）
 */
class Singleton{
    //构造器私有化
    private Singleton(){}

    //在类内部创建对象实例
    private final static Singleton instance = new Singleton();

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

这种方式的优点是写法简单，在类装载的时候就完成了实例化，避免了线程同步问题。
而缺点有以下：

  • 在类装载的时候就完成实例化，没有达到懒加载（Lazy Loading）的效果。如果从始至终从未使用过这个实力，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，这时候切换instance就没有达到懒加载的效果。
  • 这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费。

2、饿汉式（静态代码块）

与第一种方式一样，仅仅只是将实例化对象放入一个静态代码块而已。

package com.cxc.singleton.type2;

public class SingletonTest02 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton == singleton1);
    }
}

/**
 * 饿汉式（静态代码块）
 */
class Singleton{

    //构造器私有化
    private Singleton(){}

    //对象实例
    private static Singleton instance ;

    //在静态代码块中实例化对象
    static{
        instance = new Singleton();
    }

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

3、懒汉式（线程不安全）

先不实例化对象，等到需要用到的时候再去实例化：

package com.cxc.singleton.type3;

public class SingletonTest03 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton);
    }
}

/**
 * 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，才去实例化
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点：

  • 起到了懒加载的效果，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，这时就会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

4、懒汉式（线程安全，同步方法）

在方法上加入synchronized同步关键字：

package com.cxc.singleton.type4;

public class SingletonTest04 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton);
    }
}

/**
 * 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，加入了同步处理的代码，解决线程安全问题
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点：

  • 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的时候，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。

5、懒汉式之双重检查（线程安全，同步代码块）

在方法里面先判空后，再使用synchronized关键字的同步代码块（锁的是类），如果再一次判空（这里必须双重判空，不然会有线程安全问题）：

package com.cxc.singleton.type5;

public class SingletonTest05 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton);
    }
}

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

    private Singleton(){}

    //提供一个静态的公有方法
    public static Singleton getInstance(){
        if (instance == null){
            synchronized(Singleton.class){
                //双重判定
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }

        }
        return instance;
    }
}

对象加上了volatile关键字是为了保证变量的可见性，防止指令重排序。

6、静态内部类

这种方式利用到了静态内部类的特性：

静态内部类在外部类装载时并不是立即被实例化，而是需要使用到静态内部类时才会被加载。

package com.cxc.singleton.type6;

public class SingletonTest06 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.getInstance();
        System.out.println(singleton);
    }
}

/**
 * 静态内部类
 */
class Singleton{
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton(){}

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

    //提供一个静态的公有方法
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

优缺点：

  • 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。
  • 静态内部类这种方式在Singleton类被装载时并不是立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法用到了内部类，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。极力推荐。

7、枚举

package com.cxc.singleton.type7;

public class SingletonTest07 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;
        singleton.sayOk();
    }
}

/**
 * 使用枚举可以实现单例模式
 */
enum Singleton{
    INSTANCE;

    public void sayOk(){
        System.out.println("ok~");
    }
}

三、单例模式在JDK应用的源码分析

在JDK的java.lang.Runtime类中就用到了单例模式，Runtime的部分源码如下：

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

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}
    ......
}

Runtime类定义了currentRuntime对象，然后直接实例化，对其构造方法私有化。这是属于饿汉式单例模式。

四、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）。
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