【创建型设计模式】单例模式

【创建型设计模式】单例模式

这篇博客接下来几篇都将阐述设计模式相关内容。

接下来的顺序大概是:单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、建造者模式、原型模式。

一、什么是单例模式

单例模式是一种创建型设计模式,它保证一个类仅有一个实例,并提供一个全局访问点。

核心思想:

  1. 限制类的实例化次数,确保全局只有一个实例。
  2. 提供统一访问该实例的方法。

Client 为客户端,Singleton 是单例类,通过调用 Singleton.getInstance() 来获取实例对象。

二、单例模式的 6 种方法

(1) 饿汉模式
public class Singleton {private static Singleton instance = new Singleton();private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {return instance;}
}

特点:

  • 初始化时间: 类加载时即完成实例化。
  • 访问效率: 调用 getInstance 时无需等待,性能高。

优点:

  • 基于类加载机制,天然线程安全。
  • 实现简单,适用于单例对象较少被频繁初始化的场景。

缺点:

  • 无法延迟加载,如果实例从未被使用,会浪费内存。
(2) 懒汉模式(线程不安全)
public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

特点:

  • 初始化时间: 第一次调用时才实例化。
  • 访问效率: 多线程环境下存在问题,可能生成多个实例。

优点: 延迟加载,节省资源。

缺点: 线程不安全,多个线程同时调用可能创建多个实例,导致单例失效。

(3) 懒汉模式(线程安全)
public class Singleton {private static Singleton instance;private Singleton() {}public static synchronized Singleton getInstance() {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}
}

特点:

  • 线程安全性: 使用 synchronized 关键字确保多线程下只生成一个实例。

优点: 在多线程环境中保证安全。

缺点: 同步锁导致性能下降,每次调用 getInstance 都需排队,影响效率。

(4) 双重检查模式(DCL)
public class Singleton {// 1. 声明 volatile 修饰的静态实例变量private static volatile Singleton instance;// 2. 私有化构造方法,防止外部直接实例化private Singleton() {}// 3. 提供对外获取实例的静态方法public static Singleton getInstance() {// 第一次检查:避免不必要的同步if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) { // 加锁// 第二次检查:确保实例未被其他线程创建if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}
}

特点:

  • 性能优化: 减少同步开销。
  • 线程安全: 使用 volatile 避免指令重排序,确保多线程环境下正确创建实例。

优点: 资源利用率高,延迟初始化,线程安全,性能优于懒汉模式(线程安全版)。

缺点: 实现复杂,某些情况下可能出现 DCL 失效问题(如旧版 JVM)。

DCL 模式的核心思想

DCL 的核心是两次检查同步锁的结合。

**第一次检查(if (instance == null)):**在大多数情况下,实例已经被初始化,可以直接返回,不需要加锁。减少了不必要的同步,提高性能。

**加锁(synchronized):**在实例尚未初始化时,进入临界区,防止多个线程同时创建实例。

**第二次检查(if (instance == null)):**加锁后,再次检查实例是否为 null,防止多个线程同时通过第一次检查,确保单例对象只被创建一次。

**volatile 关键字:**确保 instance 的修改对所有线程立即可见,防止指令重排序导致未完全初始化的对象被其他线程访问。

为什么需要 volatile

问题:指令重排序

在没有 volatile 修饰时,JVM 编译器和 CPU 可能对以下代码进行优化:

instance = new Singleton();

这一行代码可能被分解为以下三步:

  1. 为对象分配内存。
  2. 初始化对象。
  3. 将对象引用赋值给 instance

但实际执行中,可能发生指令重排序

  1. 为对象分配内存。
  2. 将对象引用赋值给 instance
  3. 初始化对象。

如果线程 A 在步骤 2 后被切换,线程 B 进入并访问了 instance,此时会得到一个未初始化的对象,导致程序行为不可预期。

解决方法:volatile 关键字禁止指令重排序,确保对象初始化完成后才将引用赋值给 instance

(5) 静态内部类单例模式
public class Singleton {// 私有化构造方法,防止外部实例化private Singleton() {}// 静态内部类,持有单例实例private static class SingletonHolder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}// 提供全局访问点,返回静态内部类中的单例实例public static Singleton getInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

特点:

  • 延迟加载: 第一次调用 getInstance 时才加载内部类,完成实例化。
  • 线程安全: 内部类加载机制天然线程安全。

优点:

  • 实现简单,避免同步开销。
  • 兼具延迟加载和线程安全,推荐使用。

缺点: 无法控制实例销毁,适用单例生命周期较长的场景。

静态内部类的加载时机:

在 Java 中,类的加载是延迟的,只有在被真正使用时才会加载静态内部类。

主类被加载时,静态内部类不会被加载。

只有在调用静态内部类中的成员时,静态内部类才会被加载。

类加载的线程安全性:

JVM 在加载类时会自动保证线程安全。

静态变量 INSTANCE 只会被初始化一次。

(6) 枚举单例
public enum Singleton {INSTANCE; // 枚举单例的唯一实例// 单例类的其他方法public void doSomething() {System.out.println("Singleton instance is working!");}
}

特点:

  • 线程安全: 枚举的线程安全由 JVM 保证。
  • 防反序列化破坏: 默认枚举实例不可反序列化。

优点:

  • 实现简单,天生线程安全。
  • 避免反序列化和反射破坏单例。

缺点:

  • 不支持延迟加载。
  • 某些场景下(如需要灵活实例化控制)不适用。
public class Test {public static void main(String[] args) {Singleton instance = Singleton.INSTANCE;instance.doSomething();}
}

为什么枚举单例是线程安全的?

**JVM 保证:**枚举类型在类加载时会由 JVM 初始化,类加载过程是线程安全的。

**枚举的单一实例特性:**枚举中的每个实例在加载时被自动创建,并且不可被外部修改。

三、单例实现对比

实现方式是否线程安全是否延迟加载性能复杂度
饿汉模式简单
懒汉模式(不安全)简单
懒汉模式(同步)低(频繁加锁)简单
双重检查模式(DCL)较高中等
静态内部类模式简单
枚举单例简单

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