Java设计模式之单例模式

单例模式是一种设计模式,它的目的是确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点来访问该实例。这个模式通常在需要控制资源访问权、限制实例化数量或实现全局共享时使用。

在实现单例模式时,一般会定义一个私有的构造函数,以防止外部直接实例化该类。然后,提供一个静态方法来获取该类的唯一实例,该方法会判断实例是否已经存在,如果存在则直接返回该实例,否则创建一个新的实例并返回。

以下是一个简单的单例模式的示例(使用懒汉式实现):

public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {// 私有构造函数}public static synchronized Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

在这个示例中,Singleton 类的构造函数被声明为私有的,确保外部无法直接实例化该类。getInstance() 方法是获取唯一实例的入口,它会在第一次调用时创建一个新的实例,并在后续调用时直接返回该实例。

需要注意的是,上面示例的单例模式并不适用于多线程环境下。如果在多线程中同时调用getInstance() 方法,可能会导致创建多个实例。可以通过添加线程同步机制来解决这个问题,但会带来额外的性能开销。因此,在多线程环境下,需要考虑使用其他方式来实现单例模式,如双重检查锁定(Double-Checked Locking)或静态内部类等。

接下来介绍几种支持多线程的实现方式。

线程安全懒汉式

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。

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

饿汉式

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。
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。

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

懒汉式与饿汉式的根本区别在与是否在类内方法外创建自己的对象。

并且声明对象都需要私有化,构造方法都要私有化,这样外部才不能通过 new 对象的方式来访问。

饿汉式的话是声明并创建对象(因为他饿),懒汉式的话只是声明对象,在调用该类的 getinstance() 方法时才会进行 new 对象。

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

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。

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

登记式/静态内部类

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,它跟第 3 种方式不同的是:第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了,那么 instance 就会被实例化(没有达到 lazy loading 效果),而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有通过显式调用 getInstance 方法时,才会显式装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。想象一下,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。这个时候,这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

public class Singleton {  private static class SingletonHolder {  private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  }  private Singleton (){}  public static final Singleton getInstance() {  return SingletonHolder.INSTANCE;  }  
}

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