Java中實現(xiàn)單例模式的法有哪些

這篇文章將為大家詳細講解有關(guān)Java中實現(xiàn)單例模式的法有哪些，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關(guān)知識有一定的了解。

一、餓漢設(shè)計模式

public class SingletonHungry {
 private final static SingletonHungry INSTANCE = new SingletonHungry();

 private SingletonHungry() {
 }

 public static SingletonHungry getInstance() {
 return INSTANCE;
 }
}

因為單例對象一開始就初始化了，不會出現(xiàn)線程安全的問題。

PS：因為我們只需要初始化1次，所以給INSTANCE加了final關(guān)鍵字，表明初始化1次后不再允許初始化。

懶漢單例設(shè)計模式

二、簡單懶漢設(shè)計模式

由于餓漢模式一開始就初始化好了，但如果一直沒有被使用到的話，是會浪費珍貴的內(nèi)存資源的，所以引出了懶漢模式。

懶漢：首次使用時才會去實例化對象。

public class SingletonLazy1 {
 private static SingletonLazy1 instance;

 private SingletonLazy1() {
 }

 public static SingletonLazy1 getInstance() {
 if (instance == null) {
  instance = new SingletonLazy1();
 }
 return instance;
 }
}

測試：

public class Main {
 public static void main(String[] args) {
 SingletonLazy1 instance1 = SingletonLazy1.getInstance();
 SingletonLazy1 instance2 = SingletonLazy1.getInstance();
 System.out.println(instance1);
 System.out.println(instance2);
 }
}

測試結(jié)果：從結(jié)果可以看出，打印出來的兩個實例對象地址是一樣的，所以認為是只創(chuàng)建了一個對象。

三、進階

1：解決多線程并發(fā)問題

上述代碼存在的問題：在多線程環(huán)境下，不能保證只創(chuàng)建一個實例，我們進行問題的重現(xiàn)：

public class Main {
 public static void main(String[] args) {
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy1.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy1.getInstance())).start();
 }
}

結(jié)果：獲取到的對象不一樣，這并不是我們的預(yù)期結(jié)果。

解決方案：

public class SingletonLazy2 {
 private static SingletonLazy2 instance;

 private SingletonLazy2() {
 }
 //在方法加synchronized修飾符
 public static synchronized SingletonLazy2 getInstance() {
 if (instance == null) {
  instance = new SingletonLazy2();
 }
 return instance;
 }
}

測試：

public class Main2 {
 public static void main(String[] args) {
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy2.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy2.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy2.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy2.getInstance())).start();
 }
}

結(jié)果：多線程環(huán)境下獲取到的是同個對象。

四、進階2：縮小方法鎖粒度

上一方案雖然解決了多線程問題，但由于synchronized關(guān)鍵字是加在方法上的，鎖粒度很大，當(dāng)有上萬甚至更多的線程同時訪問時，都被攔在了方法外，大大降低了程序性能，所以我們要適當(dāng)縮小鎖粒度，控制鎖的范圍在代碼塊上。

public class SingletonLazy3 {
 private static SingletonLazy3 instance;

 private SingletonLazy3() {
 }
 
 public static SingletonLazy3 getInstance() {
 //代碼塊1：不要在if外加鎖，不然和鎖方法沒什么區(qū)別
 if (instance == null) {
  //代碼塊2:加鎖,將方法鎖改為鎖代碼塊
  synchronized (SingletonLazy3.class) {
  //代碼塊3
  instance = new SingletonLazy3();
  }
 }
 return instance;
 }
}

測試：

public class Main3 {
 public static void main(String[] args) {
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy3.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy3.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy3.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy3.getInstance())).start();
 }
}

我們看一下運行結(jié)果：還是出現(xiàn)了線程安全的問題（每次執(zhí)行都可能打印不同的地址情況，只要證明是非線程安全的即可）。

原因分析：當(dāng)線程A拿到鎖進入到代碼塊3并且還沒有創(chuàng)建完實例時，線程B是有機會到達代碼塊2的，此時線程C和D可能在代碼塊1，當(dāng)線程A執(zhí)行完之后釋放鎖并返回對象1，線程B進入進入代碼塊3，又創(chuàng)建了新的對象2覆蓋對象1并返回，最后當(dāng)線程C和D在進行判null時發(fā)現(xiàn)instance非空，直接返回最后創(chuàng)建的對象2。

五、進階3：雙重檢查鎖DCL(Double-Checked-Locking)

所謂雙重檢查鎖，就是在線程獲取到鎖之后再對實例進行第2次判空檢查，判斷是不是有上一個線程已經(jīng)進行了實例化，有的話直接返回即可，否則進行實例初始化。

public class SingletonLazy4DCL {
 private static SingletonLazy4DCL instance;

 private SingletonLazy4DCL() {
 }

 public static SingletonLazy4DCL getInstance() {
 //代碼塊1：第一次判空檢查
 if (instance == null) {
  //代碼塊2:加鎖,將方法鎖改為鎖代碼塊
  synchronized (SingletonLazy3.class) {
  //代碼塊3:進行第二次(雙重)判空檢查
  if (instance == null) {
   instance = new SingletonLazy4DCL();
  }
  }
 }
 return instance;
 }
}

測試：

public class Main4DCL {
 public static void main(String[] args) {
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy4DCL.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy4DCL.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy4DCL.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy4DCL.getInstance())).start();
 }
}

六、進階4：禁止指令重排

在對象的實例過程中，大概可分為以下3個步驟：

1. 分配對象內(nèi)存空間

2. 在空間中創(chuàng)建對象

3. 實例指向分配到的內(nèi)存空間地址

由于實例化對象的過程不是原子性的，且JVM本身對Java代碼指令有重排的操作，可能1-2-3的操作被重新排序成了1-3-2，這樣就會導(dǎo)致在3執(zhí)行完之后還沒來得及創(chuàng)建對象時，其他線程先讀取到了未初始化的對象instance并提前返回，在使用的時候會出現(xiàn)NPE空指針異常。

解決：給instance加volatile關(guān)鍵字表明禁止指令重排，出現(xiàn)的概率不大， 但這是更安全的一種做法。

public class SingletonLazy5Volatile {
 //加volatile關(guān)鍵字
 private volatile static SingletonLazy5Volatile instance;

 private SingletonLazy5Volatile() {
 }

 public static SingletonLazy5Volatile getInstance() {
 //代碼塊1
 if (instance == null) {
  //代碼塊2:加鎖,將方法鎖改為鎖代碼塊
  synchronized (SingletonLazy3.class) {
  //代碼塊3
  if (instance == null) {
   instance = new SingletonLazy5Volatile();
  }
  }
 }
 return instance;
 }
}

七、進階5：靜態(tài)內(nèi)部類

我們還可以使用靜態(tài)類的靜態(tài)變量被第一次訪問時才會進行初始化的特性來進行懶加載初始化。把外部類的單例對象放到靜態(tài)內(nèi)部類的靜態(tài)成員變量里進行初始化。

public class SingletonLazy6InnerStaticClass {
 private SingletonLazy6InnerStaticClass() {
 }

 public static SingletonLazy6InnerStaticClass getInstance() {
 return SingletonLazy6InnerStaticClass.InnerStaticClass.instance;
 //或者寫成return InnerStaticClass.instance;
 }

 private static class InnerStaticClass {
 private static final SingletonLazy6InnerStaticClass instance = new SingletonLazy6InnerStaticClass();
 }
}

雖然靜態(tài)內(nèi)部類里的寫法和餓漢模式很像，但它卻不是在外部類加載時就初始化了，而是在第一次被訪問到時才會進行初始化的操作（即getInstance方法被調(diào)用時），也就起到了懶加載的效果，并且它可以保證線程安全。

測試：

public class Main6InnerStatic {
 public static void main(String[] args) {
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy6InnerStaticClass.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy6InnerStaticClass.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy6InnerStaticClass.getInstance())).start();
 new Thread(()-> System.out.println(SingletonLazy6InnerStaticClass.getInstance())).start();
 }
}

反射攻擊

雖然我們一開始都對構(gòu)造器進行了私有化處理，但Java本身的反射機制卻還是可以將private訪問權(quán)限改為可訪問，依舊可以創(chuàng)建出新的實例對象，這里以餓漢模式舉例說明：

public class MainReflectAttack {
 public static void main(String[] args) {
 try {
  SingletonHungry normal1 = SingletonHungry.getInstance();
  SingletonHungry normal2 = SingletonHungry.getInstance();
  //開始反射創(chuàng)建實例
  Constructor<SingletonHungry> reflect = SingletonHungry.class.getDeclaredConstructor(null);
  reflect.setAccessible(true);
  SingletonHungry attack = reflect.newInstance();
  
  System.out.println("正常靜態(tài)方法調(diào)用獲取到的對象：");
  System.out.println(normal1);
  System.out.println(normal2);
  System.out.println("反射獲取到的對象：");
  System.out.println(attack);
 } catch (Exception e) {
  e.printStackTrace();
 }
 }
}

八、枚舉單例（推薦使用）

public enum SingletonEnum {
 INSTANCE;
}

枚舉是最簡潔、線程安全、不會被反射創(chuàng)建實例的單例實現(xiàn)，《Effective Java》中也表明了這種寫法是最佳的單例實現(xiàn)模式。

單元素的枚舉類型經(jīng)常成為實現(xiàn)Singleton的最佳方法。 --《Effective Java》

為什么說不會被反射創(chuàng)建對象呢？查閱構(gòu)造器反射實例化對象方法newInstance的源碼可知：反射禁止了枚舉對象的實例化，也就防止了反射攻擊，不用自己在構(gòu)造器實現(xiàn)復(fù)雜的重復(fù)實例化邏輯了。

測試：

public class MainEnum {
 public static void main(String[] args) {
 SingletonEnum instance1 = SingletonEnum.INSTANCE;
 SingletonEnum instance2 = SingletonEnum.INSTANCE;
 System.out.println(instance1.hashCode());
 System.out.println(instance2.hashCode());
 }
}

總結(jié)：幾種實現(xiàn)方式的優(yōu)缺點 懶漢模式

優(yōu)點：節(jié)省內(nèi)存。

缺點：存在線程安全問題，若要保證線程安全，則寫法復(fù)雜。

餓漢模式

優(yōu)點：線程安全。

缺點：如果單例對象一直沒被使用，則會浪費內(nèi)存空間。

靜態(tài)內(nèi)部類

優(yōu)點：懶加載并避免了多線程問題，寫法相比于懶漢模式更簡單。

缺點：需要多創(chuàng)建一個內(nèi)部類。

枚舉

優(yōu)點：簡潔、天生線程安全、不可反射創(chuàng)建實例。

缺點：暫無

關(guān)于Java中實現(xiàn)單例模式的法有哪些就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到。