深入淺析Java設(shè)計(jì)模式中的單例模式

這篇文章給大家介紹深入淺析Java設(shè)計(jì)模式中的單例模式，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

單例模式是非常常見的設(shè)計(jì)模式，其含義也很簡單，一個(gè)類給外部提供一個(gè)唯一的實(shí)例。下文所有的代碼均在github

源碼整個(gè)項(xiàng)目不僅僅有設(shè)計(jì)模式，還有其他JavaSE知識(shí)點(diǎn)，歡迎Star，F(xiàn)ork

單例模式的UML圖

單例模式的關(guān)鍵點(diǎn)

通過上面的UML圖，我們可以看出單例模式的特點(diǎn)如下：

1、構(gòu)造器是私有的，不允許外部的類調(diào)用構(gòu)造器
2、提供一個(gè)供外部訪問的方法，該方法返回單例類的實(shí)例

如何實(shí)現(xiàn)單例模式

上面已經(jīng)給出了單例模式的關(guān)鍵點(diǎn)，我們的實(shí)現(xiàn)只需要滿足上面2點(diǎn)即可。但是正因?yàn)閱卫Ｊ降膶?shí)現(xiàn)方式比較寬松，所以不同的實(shí)現(xiàn)方式會(huì)有不同的問題。我們可以對(duì)單例模式的實(shí)現(xiàn)做一下分類，看一看有哪些不同的實(shí)現(xiàn)方式。

1根據(jù)單例對(duì)象的創(chuàng)建時(shí)機(jī)不同，可以分為餓漢模式和懶漢模式。餓漢是指在類加載的時(shí)候，就創(chuàng)建了對(duì)象。但是創(chuàng)建對(duì)象有時(shí)比較消耗資源，會(huì)造成類加載很慢，但是優(yōu)點(diǎn)是獲取對(duì)象的速度很快，因?yàn)樵缫呀?jīng)創(chuàng)建好了嘛。懶漢就是相對(duì)餓漢而言，在需要返回單例對(duì)象的時(shí)候，在創(chuàng)建對(duì)象，類加載的時(shí)候，并不初始化，好處與缺點(diǎn)也不言而喻

2.根據(jù)是否實(shí)現(xiàn)線程安全，可以分為普通的懶漢模式這種線程不安全的寫法，和餓漢模式，雙重檢查鎖的懶漢模式，以及通過靜態(tài)內(nèi)部類或者枚舉類等實(shí)現(xiàn)的線程安全的寫法。

一個(gè)線程不安全的單例模式

public class SimpleSingleton {

  private static SimpleSingleton simpleSingleton;

  private SimpleSingleton(){

  }

  public static SimpleSingleton getInstance(){
    if (simpleSingleton == null) {
      simpleSingleton = new SimpleSingleton();
    }
    return simpleSingleton;
  }
}

首先，我們可以看出這是一個(gè)懶漢模式的實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橹挥性趃etInstance的時(shí)候，才會(huì)真正創(chuàng)建單例的對(duì)象。但是為什么他是線程不安全的呢，是因?yàn)榭赡軙?huì)有2個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入if (simpleSingleton == null)的判斷，就是同時(shí)創(chuàng)建了simpleSingleton對(duì)象。

DCL懶漢模式

上面的方法可以看出是存在線程不安全的問題的，我們可以用同步關(guān)鍵字synchronized來實(shí)現(xiàn)線程安全。我們先逐步分析，先用synchronized來改寫上面的懶漢模式，代碼如下：

public class DCLSingleton {

  private static DCLSingleton singleton;
  private DCLSingleton(){
  }

  public synchronized static DClSingleton getSingleton(){
    if (singleton == null) {
      singleton = new DCLSingleton();
    }
    return singleton;
  }

}

這樣，就有效的保證了不會(huì)有兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行該方法，但這個(gè)效率也太低了吧。因?yàn)樵趧?chuàng)建實(shí)例之后，每次得到實(shí)例對(duì)象，還是需要進(jìn)行同步，synchronized的同步保證代價(jià)是比較大的，因此可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。在已經(jīng)創(chuàng)建好之后，就不需要同步了，我們可以改成如下的形式：

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

其他代碼不變，只看這個(gè)方法。該方法的兩重if (singleton == null)可以有效地保證線程安全。比如，當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入該方法的時(shí)候，第一個(gè)if,兩者都是進(jìn)入，下面的代碼，但是碰到同步代碼塊，只能有一個(gè)先進(jìn)入，進(jìn)入的時(shí)候，繼續(xù)判斷，再次判斷為空，才會(huì)真正創(chuàng)建對(duì)象。如果不進(jìn)行，第二個(gè)判斷，那些對(duì)于第一個(gè)進(jìn)入的線程而言，確實(shí)創(chuàng)建了對(duì)象，但是第二個(gè)線程，他緊接著也會(huì)執(zhí)行創(chuàng)建對(duì)象的操作，因?yàn)椴恢赖谝粋€(gè)線程已經(jīng)創(chuàng)建成功。因此，需要兩次判空。
但是真的就如此簡單的保證了線程安全嗎？我們仔細(xì)分析一下這個(gè)過程，singleton = new DCLSingleton();這個(gè)代碼實(shí)際上是3個(gè)操作。

1.給DCLSingleton實(shí)例分配內(nèi)存
2.調(diào)用DCLSingleton()的構(gòu)造函數(shù)，初始化成員字段
3.將singleton對(duì)象指向分配的內(nèi)存空間。

在JDK1.5以前，上面的3個(gè)執(zhí)行順序是不固定的，有可能是1-2-3，或者1-3-2。如果是1-3-2，則在第一個(gè)線程執(zhí)行完第三步以后，第二個(gè)線程立即執(zhí)行，但還沒有真正的進(jìn)行初始化，所以就會(huì)使用的時(shí)候出錯(cuò)。在JDK1.5以后，我們可以用volatile關(guān)鍵字來保證該1-2-3的順序執(zhí)行。所以，除了getSingleton()方法要改成上面的樣子以外，還需要對(duì)private static DCLSingleton singleton; 改寫成private static volatile DCLSingleton singleton; 這樣，就真正保證了線程同步的懶漢寫法的單例模式。

餓漢寫法

餓漢寫法有很多變形，但無論是哪一種變形，都能保證線程安全，因?yàn)轲I漢寫法是在類加載的時(shí)候，就完成了對(duì)象的初始化，類加載保證了他們天生是線程安全的。下面給出常見的2中餓漢寫法

public class HungrySingleton {
  private static final HungrySingleton singleton = new HungrySingleton();

  private HungrySingleton(){

  }

  public static HungrySingleton getSingleton(){
    return singleton;
  }
}
public class HungrySingleton {
  private static final HungrySingleton singleton = new HungrySingleton();

  private HungrySingleton(){

  }

//  public static HungrySingleton getSingleton(){
//    return singleton;
//  }
}

這兩種對(duì)初始化單例的對(duì)象上面，都是一致的， 通過final來保證對(duì)象的唯一。不同的是，調(diào)用單例對(duì)象的方式，第一種是通過getSingleton()，第二種是通過類.類變量的形式。

靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)單例模式

雙重檢查鎖（DCL）實(shí)現(xiàn)單例模式，雖然解決了線程不安全的問題，以及保證了資源的懶加載，在需要的時(shí)候，才會(huì)進(jìn)行實(shí)例化的操作。但是在某些情況下（比如JDK低于1.5）會(huì)出現(xiàn)DCL失效，所以有一種很簡潔且依舊是懶加載的方法實(shí)現(xiàn)單例模式。寫法如下：

public class StaticSingleton {

  private StaticSingleton(){
  }
  public static final StaticSingleton getInstance(){
    return Holder.singleton;
  }

  private static class Holder{
    private static final StaticSingleton singleton = new StaticSingleton();
  }
}

通過靜態(tài)內(nèi)部類的形式，實(shí)現(xiàn)單例類的初始化，其特性同樣是通過ClassLoader來保證其單例對(duì)象的唯一，但是這是懶加載的，因?yàn)橹挥性贖older類被調(diào)用的時(shí)候，即getInstance調(diào)用的時(shí)候，才會(huì)加載Holder類從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建對(duì)象。

枚舉類實(shí)現(xiàn)單例模式

直接看代碼：

public enum EnumSingleton {
  SINGLETON;
  public void doSometings(){
    
  }
}

使用的時(shí)候，直接通過EnumSingleton.SINGLETON.doSomethings()。枚舉類天生特性是保證不會(huì)有兩個(gè)實(shí)例，并且只有在第一次訪問的時(shí)候才會(huì)被實(shí)例化，是懶加載的情況。

真的不會(huì)再次創(chuàng)建新的對(duì)象嗎？

在常規(guī)調(diào)用單例類的getInstance（）方法的情況下，使用線程安全的寫法確實(shí)不會(huì)創(chuàng)建新的對(duì)象，但是Java提供了很多奇特的技巧和使用，下面這些使用會(huì)破壞掉常規(guī)的單例。

• 反序列化
• 反射
• 克隆
• 分布式環(huán)境下，多個(gè)類加載器
   

在除了枚舉實(shí)現(xiàn)單例模式的方法以外，其余所有方法碰到上述四種情況，都會(huì)重新創(chuàng)建對(duì)象。原因如下：

• 反序列化會(huì)調(diào)用一個(gè)特殊的readResolve()方法來創(chuàng)建新的對(duì)象。我們可以重寫該方法，讓他返回原來的instance，而不是重新創(chuàng)建一個(gè)。
• 反射會(huì)得到私有的構(gòu)造函數(shù)，只能在構(gòu)造函數(shù)中加一個(gè)判斷，如果對(duì)象不為null,則扔出一個(gè)運(yùn)行時(shí)異常，如果不這樣，只有枚舉能解決，因?yàn)槊杜e自帶的特性。
• 克隆，因?yàn)橹苯涌截惖膬?nèi)存空間的內(nèi)容，所以只有自己重寫單例類的clone方法，如果不這樣，也只有枚舉能解決，因?yàn)槊杜e沒有克隆方法。
• 多分布式環(huán)境，因?yàn)槲覀兩鲜龊芏喾N單例的寫法，都是依賴于類加載器的特性，但是static的作用只負(fù)責(zé)到類加載器，所以當(dāng)工程中存在多個(gè)類加載器的時(shí)候，就會(huì)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，這種通常就需要第三方庫來解決。
   

什么時(shí)候用單例模式，用哪一種寫法的單例模式

單例模式有兩種比較適合的使用場(chǎng)景。
第一種是創(chuàng)建某個(gè)對(duì)象，需要的代價(jià)比較大，為了避免頻繁的創(chuàng)建和銷毀對(duì)象從而引起的對(duì)資源的浪費(fèi)，會(huì)考慮使用單例模式。
第二種是這個(gè)對(duì)象必須只有一個(gè)，有多個(gè)會(huì)造成不可預(yù)估的錯(cuò)誤，或者程序的混亂，比如只會(huì)有一個(gè)序號(hào)生成器，一個(gè)緩存等等。
針對(duì)使用的單例模式，如果需要理解的加載資源，就是用餓漢寫法，在Android應(yīng)用中，很多對(duì)象需要在啟動(dòng)的時(shí)候，立即就使用，比如啟動(dòng)時(shí)，需要拉取相機(jī)配置的類管理縮略圖的cache類等等。如果不是立即需要，或者不是貫穿應(yīng)用始終的，就不需要使用餓漢寫法，可以考慮懶漢寫法用（DCL或者靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)）這兩種在一般情況下都不會(huì)出現(xiàn)問題。

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