Java单例模式之总有你想不到的知识

Java
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2023-07-18
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标签   Java设计模式

Java 单例模式

单例模式 是Java中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建 对象的最佳方式

单例模式确保在一个应用程序中某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例 单例实例。

满足条件

单例模式只应在有真正的“单一实例”的需求时才可使用：

  1. 单例类只能有一个实例
  2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例
  3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例

两种形式

Java中实现单例模式可以通过两种形式实现：

  • 懒汉模式 (类加载时不初始化)
  • 饿汉模式 (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)

设计要求

编写单例必须满足下面的条件：

  1. 构造方法 变成私有
  2. 提供一个 静态方法 获取单实例对象

饿汉模式

饿汉模式基于classloader机制避免了 多线程 的同步问题(静态初始化将保证在任何 线程 能够访问到域之前初始化它)，不过，instance在类装载时就实例化，这时候初始化instance显然没有达到懒加载（lazy loading）的效果

饿汉单例相对比较容易理解，一般表现为以下两种形式： 

 <pre class="prettyprint hljs java" style=" padding : 0.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, " Courier  New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block;  margin : 0px 0px 1.5em; font-size: 14px;  line-height : 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  Singleton  { 
     private   static  Singleton1 instance = new Singleton1();
 
    // 私有构造方法，保证外界无法直接实例化。 
    private  Singleton()  { 
    }
    // 通过公有的静态方法获取对象实例 
    public  static  Singleton   getInstance ()  { 
        return instance;
    }
}

也可以将静态对象初始化放在静态代码块中 

 <pre class="prettyprint hljs java" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  Singleton  { 
    private static Singleton instance = null;
    // 对象初始化放在静态代码块中
    static { 
        instance = new Singleton();
    }
    // 私有构造方法，保证外界无法直接实例化。
    private  Singleton()  { 
    }
 
    // 通过公有的静态方法获取对象实例
    public  static  Singleton  getInstance()  { 
        return instance;
    }
}

懒汉方式

实现单例模式能够提高类加载性能，但是和饿汉模式借助与 JVM 的类加载内部同步机制实现了线程安全不同，需要在延迟加载时注意单例实例的线程安全性，如果简单粗暴的实现，在多线程环境中将引起运行异常。

例如下面代码将引起运行异常： 

 <pre class="prettyprint hljs java" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  Singleton  { 
    private static Singleton instance;
 
    private  Singleton()  { 
    }
 
    public  static  Singleton  getInstance()  { 
        if (instance == null) { 
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

上述代码多线程同时访问时可能会产生多个示例，甚至会破坏实例，违背单例的设计原则

用下面代码也能测试出来： 

 <pre class="prettyprint hljs java" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  SingletonTest  implements  Runnable{ 
    @Override
    public   void   run()  { 
        Singleton singleton3 =Singleton3.getInstance();
        System.out.println(singleton);
    }
 
    public  static  void  main(String[] args)  { 
        for (int i=;i<10;i++){ 
            SingletonTest myThread = new SingletonTest();
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
        }
    }
}

懒汉式多线程解决方案

synchronized

可以为返回单例实例的方法设置同步用来保证线程安全性 

 <pre class="prettyprint hljs java" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  Singleton  { 
    private static Singleton instance;
 
    private  Singleton()  { 
    }
 
    public  synchronized  static  Singleton  getInstance()  { 
        if (instance == null) { 
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这种写法能够在多线程中很好的工作，而且看起来它也具备很好的懒加载（lazy loading），但遗憾的是，由于整个方法被同步，因此效率相对较低

双检查锁方式

使用双检查锁需要进行两次instance == null的判断

  • 第一次判断没有锁，如果install不为null直接返回单实例对象，提高效率
  • 第二次判断防止多线程创建多个实例，假如A和B 两个线程同时争抢synchronized锁，A先争抢到锁，B 等待，A线程instance赋值实例化对象，释放锁，B线程获取到到锁，如果没有第二次判断的话，直接又会创建对象，那么就不符合单例要求

并且还需要为这个静态对象加上 volatile 关键字， volatile在这里的作用是：通知其他线程及时更新变量；保证有序性，禁止指令重排序。

通知其他线程及时更新变量还简单明了，第二个作用是这样的，我们举例说明一下：

原因举例说明: 在执行instance = new Singleton()语句时，一共是有三步操作的。

  1. 堆中分配内存
  2. 调用构造方法进行初始化
  3. 将instance引用指向内存地址。

在这三步有可能会产生指令重排序即有两种结果可能产生： 123与132(不管怎么重排序，单线程程序 的执行结果不会改变)

如果A线程执行到 instance = new Singleton() ，此时2 ，3发生重排序，选执行3，则instance已经不为 null，但是指向的对象还未初始化完成，如果此时B对象判断instance 不为null就会直接返回一个未初始 化完成的对象。

双检查锁方式代码如下： 

 <pre class="prettyprint hljs java" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  Singleton  { 
    private volatile static Singleton instance;
 
    private  Singleton()  { 
    }
 
    // 使用双检查锁方式
    public  static  Singleton  getInstance()  { 
        if (instance == null) { 
            synchronized(Singleton.class){ 
                if(instance == null){ 
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

再测一下，没有问题： 

 <pre class="prettyprint hljs dart" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  SingletonTest  implements  Runnable{ 
    @Override
    public void run() { 
        Singleton singleton5 =Singleton5.getInstance();
        System.out.println(singleton);
    }
 
    public static void main(String[] args) { 
        for (int i=;i<10;i++){ 
            SingletonTest myThread = new SingletonTest();
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
        }
    }
}

静态内部类

之前提到了，静态初始化将在实例被任何线程访问到之前对其进行初始化，因此，可以借助于这个特性对懒汉单例进行改造：

静态内部类加载机制：使用时候才被加载，而且多线程情况下， classloader能够保证只加载一份字节码

代码如下： 

 <pre class="prettyprint hljs java" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  Singleton  { 
 
    private static class  SingletonHolder  { 
        private final static Singleton Instance = new Singleton6();
    }
 
    private  Singleton()  { 
    }
 
    public  static  final  Singleton  getInstance()  { 
        return SingletonHolder.Instance;
    }
 
    public  void  say()  { 
        System.out.println("调用了say方法");
    }
 
    public  static  void  sayHello()  { 
        System.out.println("调用了sayHello方法");
    }
}

测试也OK： 

 <pre class="prettyprint hljs dart" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  SingletonTest  implements  Runnable{ 
    @Override
    public void run() { 
        Singleton singleton6 =Singleton6.getInstance();
        System.out.println(singleton);
        singleton.say();
    }
 
    public static void main(String[] args) { 
        for (int i=;i<10;i++){ 
            SingletonTest myThread = new SingletonTest();
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
        }
    }
}

枚举（别瞎用）

JDK1.5之后引入了枚举，由于枚举的特性，可以利用其来实现单例，它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(序列化和反序列化后是同一个对象)

代码如下 

 <pre class="prettyprint hljs java" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public enum  Singleton { 
    INSTANCE;
 
    public  void  say(){ 
        System.out.println("say ni hello!");
    }
}

测试一下： 

 <pre class="prettyprint hljs dart" style="padding:.5em; font-family: Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; color: rgb(68, 68, 68); border-radius: 4px; display: block; margin: 0px 0px 1.5em; font-size: 14px; line-height: 1.5em; word-break: break-all; overflow-wrap: break-word; white-space: pre; background-color: rgb(246, 246, 246); border: none; overflow-x: auto;">package com.shixun.design.singleton;
 
public class  SingletonTest  implements  Runnable{ 
    @Override
    public void run() { 
        Singleton singleton7 = Singleton7.INSTANCE;
        System.out.println(singleton.hashCode());
        singleton.say();
    }
 
    public static void main(String[] args) { 
        for (int i=;i<10;i++){ 
            SingletonTest myThread = new SingletonTest();
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
        }
    }
 
    /**
 * 生写懒汉式多线程问题
 */    private static void method() { 
        for (int i=;i<100;i++){ 
            SingletonTest myThread = new SingletonTest();
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            Thread thread = new Thread(myThread, String.valueOf(i));
            thread.start();
            thread.start();
            thread.start();
        }
    }
}

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