Java设计模式 - 单例模式（创建型模式）
2024-09-01 06:49:22
单例模式我在上学期看一些资料时候学习过，没想到这学期的软件体系结构就有设计模式学习，不过看似篇幅不大，介绍得比较简单，在这里我总结下单例模式，一来整理之前的笔记，二来也算是预习复习课程了。
概述
单例模式 (Singleton Pattern) 是 Java 中最简单的设计模式之一，属于一种创建型模式。
单例模式保证对于每一个类加载器，一个类仅有一个唯一的实例对象，并提供一个全局的唯一访问点。
优缺点
优点：
- 减少内存开销。
- 避免对资源的多重占用。
- 严格控制客户程序访问其唯一的实例。
- 单例类的子类都是单例类。
- 比较容易改写为允许一定数目对象的类。
缺点：
- 不适用于变化的对象。
- 由于没有抽象层，难以扩展。
- 职责过重，一定程度上违背了“单一职责原则”。
核心思路
- 构造器私有化。
- 私有的静态常量成员。
- 公开的静态方法
getInstance()，返回静态实例对象。 - 确保每次访问的实例对象都是同一个对象。
- 多线程中要保证线程安全。
实现方式
实现单例方式有五种：饿汉式、懒汉式、双重校验锁(DCL)、静态内部类、枚举。
饿汉式
优点：在类加载的时候就完成实例化，避免了线程同步问题。
缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。
public class Singleton1 {
private static final Singleton1 INSTANCE = new Singleton1();
private Singleton1() {
System.out.println("饿汉式，可用");
}
public static Singleton1 getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
懒汉式
优点：达到了懒加载的效果。
缺点：线程不安全。
对于普通懒汉式，线程不安全。
原因：在进入
if (instance == null)时，可能一个线程进入后就切换到了另一个线程，而此时并未创建实例对象，这个线程又再次进入了if代码块。public class Singleton2 {
private static Singleton2 instance; private Singleton2() {
System.out.println("懒汉式，线程不安全，多线程不可用");
} public static Singleton2 getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton2();
}
return instance;
}
}
对方法添加
synchronized保证线程安全。synchronized保证了getInstance()线程安全，但对方法进行同步效率不高。public class Singleton3 {
private static Singleton3 instance; private Singleton3() {
System.out.println("懒汉式(synchronized方法)，效率太低");
} public static synchronized Singleton3 getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton3();
}
return instance;
}
}
改进方案2，使用
synchronized代码块。使用了
synchronized代码块改进，但又出现了和方案1一样的线程安全问题。public class Singleton4 {
private static Singleton4 instance; private Singleton4() {
System.out.println("懒汉式(synchronized代码块)，线程不安全，多线程不可用");
} public static Singleton4 getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton4.class) {
// 此处若有线程阻塞，其它线程就仍可以进入到了前面if
instance = new Singleton4();
}
}
return instance;
}
}
双重校验锁(DCL)
针对上一个改进，使用两个if (instance == null) 。
这里先别管实现的Serializable接口和readResolve()方法，这两个用于后面的序列化测试。
另外，此处的volatile声明是很重要的，volatile变量有两种特性。
一是保证了此变量对所有线程的可见性。“可见性”指的是当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程来说是可以立即知道的。
二是禁止指令重排序优化。但volatile变量的运行在并发编程下并非是安全的，因为不能保证原子性。详细请自己去看相关资料。
import java.io.Serializable;
public class Singleton5 implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;
private static volatile Singleton5 instance;
private Singleton5() {
System.out.println("懒汉式优化(Double Check Lock)双重校验锁，推荐用");
}
public static Singleton5 getInstance() {
if (instance == null) {
// 未被初始化，但是无法确定这时其他线程是否已经对其初始化，因此添加对象锁进行互斥
synchronized (Singleton5.class) {
// 再一次进行检查，因为有可能在当前线程阻塞的时候，其他线程对instance进行初始化
if (instance == null) {
// 此时还未被初始化的话，在这里初始化可以保证线程安全
instance = new Singleton5();
}
}
}
return instance;
}
// 如果该对象被用于序列化,该方法可以保证对象在序列化前后保持一致
private Object readResolve() {
return getInstance();
}
}
静态内部类
静态内部类方式在类被加载时并不会立即实例化。
而是在需要实例化时，调用getInstance()方法，才会装载内部类，从而完成对象实例化。
import java.io.Serializable;
public class Singleton6 implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;
private Singleton6() {
System.out.println("饿汉式优化(静态内部类)，推荐用");
}
private static class SingletonInstance {
private static final Singleton6 INSTANCE = new Singleton6();
}
public static Singleton6 getInstance() {
return SingletonInstance.INSTANCE;
}
// 如果该对象被用于序列化,该方法可以保证对象在序列化前后保持一致
private Object readResolve() {
return getInstance();
}
}
枚举
枚举方法不仅保证了线程安全问题，还提供了序列化机制。
public enum Singleton7 {
INSTANCE;
private Singleton7() {
System.out.println("枚举，最好方法");
}
public static Singleton7 getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
测试
线程安全测试
public class TestSafety {
static Singleton1 s1_a;
static Singleton1 s1_b;
static Singleton2 s2_a;
static Singleton2 s2_b;
static Singleton3 s3_a;
static Singleton3 s3_b;
static Singleton4 s4_a;
static Singleton4 s4_b;
static Singleton5 s5_a;
static Singleton5 s5_b;
static Singleton6 s6_a;
static Singleton6 s6_b;
static Singleton7 s7_a;
static Singleton7 s7_b;
public static void getS1_A() {
s1_a = Singleton1.getInstance();
}
public static void getS1_B() {
s1_b = Singleton1.getInstance();
}
public static void getS2_A() {
s2_a = Singleton2.getInstance();
}
public static void getS2_B() {
s2_b = Singleton2.getInstance();
}
public static void getS3_A() {
s3_a = Singleton3.getInstance();
}
public static void getS3_B() {
s3_b = Singleton3.getInstance();
}
public static void getS4_A() {
s4_a = Singleton4.getInstance();
}
public static void getS4_B() {
s4_b = Singleton4.getInstance();
}
public static void getS5_A() {
s5_a = Singleton5.getInstance();
}
public static void getS5_B() {
s5_b = Singleton5.getInstance();
}
public static void getS6_A() {
s6_a = Singleton6.getInstance();
}
public static void getS6_B() {
s6_b = Singleton6.getInstance();
}
public static void getS7_A() {
s7_a = Singleton7.getInstance();
}
public static void getS7_B() {
s7_b = Singleton7.getInstance();
}
public static void main(String[] args) {
Thread t1_a = new Thread(TestSafety::getS1_A);
Thread t1_b = new Thread(TestSafety::getS1_B);
t1_a.start();
t1_b.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("s1_a == s1_b ? " + (s1_a == s1_b));
System.out.println();
Thread t2_a = new Thread(TestSafety::getS2_A);
Thread t2_b = new Thread(TestSafety::getS2_B);
t2_a.start();
t2_b.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("s2_a == s2_b ? " + (s2_a == s2_b));
System.out.println();
Thread t3_a = new Thread(TestSafety::getS3_A);
Thread t3_b = new Thread(TestSafety::getS3_B);
t3_a.start();
t3_b.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("s3_a == s3_b ? " + (s3_a == s3_b));
System.out.println();
Thread t4_a = new Thread(TestSafety::getS4_A);
Thread t4_b = new Thread(TestSafety::getS4_B);
t4_a.start();
t4_b.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("s4_a == s4_b ? " + (s4_a == s4_b));
System.out.println();
Thread t5_a = new Thread(TestSafety::getS5_A);
Thread t5_b = new Thread(TestSafety::getS5_B);
t5_a.start();
t5_b.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("s5_a == s5_b ? " + (s5_a == s5_b));
System.out.println();
Thread t6_a = new Thread(TestSafety::getS6_A);
Thread t6_b = new Thread(TestSafety::getS6_B);
t6_a.start();
t6_b.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("s6_a == s6_b ? " + (s6_a == s6_b));
System.out.println();
Thread t7_a = new Thread(TestSafety::getS7_A);
Thread t7_b = new Thread(TestSafety::getS7_B);
t7_a.start();
t7_b.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("s7_a == s7_b ? " + (s7_a == s7_b));
System.out.println();
}
}
输出结果：
饿汉式，可用
s1_a == s1_b ? true
懒汉式，线程不安全，多线程不可用
懒汉式，线程不安全，多线程不可用
s2_a == s2_b ? false
懒汉式(synchronized方法)，效率太低
s3_a == s3_b ? true
懒汉式(synchronized代码块)，线程不安全，多线程不可用
懒汉式(synchronized代码块)，线程不安全，多线程不可用
s4_a == s4_b ? false
懒汉式优化(Double Check Lock)双重校验锁，推荐用
s5_a == s5_b ? true
饿汉式优化(静态内部类)，推荐用
s6_a == s6_b ? true
枚举，最好方法
s7_a == s7_b ? true
序列化测试
只对双重校验锁、静态内部类、枚举测试。
默认只有枚举能保证序列化后对象仍相等，其它需要加readResolve()方法才能。
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.nio.file.Path;
import java.nio.file.Paths;
public class TestSerializable {
// 测试序列化后的对象是否相等
public static void main(String[] args) {
Singleton5 s5_a = Singleton5.getInstance();
Singleton5 s5_b = Singleton5.getInstance();
System.out.println("序列化前：s5_a == s5_b ? " + (s5_a == s5_b));
Path file5 = Paths.get("object5.txt");
try (ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(
new FileOutputStream(file5.toFile()))) {
out.writeObject(s5_a);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
try (ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(
new FileInputStream(file5.toFile()))) {
s5_b = (Singleton5) in.readObject();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("序列化后：s5_a == s5_b ? " + (s5_a == s5_b));
System.out.println();
Singleton6 s6_a = Singleton6.getInstance();
Singleton6 s6_b = Singleton6.getInstance();
System.out.println("序列化前：s6_a == s6_b ? " + (s6_a == s6_b));
Path file6 = Paths.get("object6.txt");
try (ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(
new FileOutputStream(file6.toFile()))) {
out.writeObject(s6_a);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
try (ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(
new FileInputStream(file6.toFile()))) {
s6_b = (Singleton6) in.readObject();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("序列化后：s6_a == s6_b ? " + (s6_a == s6_b));
System.out.println();
Singleton7 s7_a = Singleton7.getInstance();
Singleton7 s7_b = Singleton7.getInstance();
System.out.println("序列化前：s7_a == s7_b ? " + (s7_a == s7_b));
Path file7 = Paths.get("object7.txt");
try (ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(
new FileOutputStream(file7.toFile()))) {
out.writeObject(s7_a);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
try (ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(
new FileInputStream(file7.toFile()))) {
s7_b = (Singleton7) in.readObject();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("序列化后：s7_a == s7_b ? " + (s7_a == s7_b));
System.out.println();
}
}
先把readResolve()方法注释掉；输出结果为：
懒汉式优化(Double Check Lock)双重校验锁，推荐用
序列化前：s5_a == s5_b ? true
序列化后：s5_a == s5_b ? false
饿汉式优化(静态内部类)，推荐用
序列化前：s6_a == s6_b ? true
序列化后：s6_a == s6_b ? false
枚举，最好方法
序列化前：s7_a == s7_b ? true
序列化后：s7_a == s7_b ? true
加上readResolve()方法，枚举不需要，枚举甚至连Serializable接口都不需实现；输出结果如下：
懒汉式优化(Double Check Lock)双重校验锁，推荐用
序列化前：s5_a == s5_b ? true
序列化后：s5_a == s5_b ? true
饿汉式优化(静态内部类)，推荐用
序列化前：s6_a == s6_b ? true
序列化后：s6_a == s6_b ? true
枚举，最好方法
序列化前：s7_a == s7_b ? true
序列化后：s7_a == s7_b ? true
使用场景
- 文件管理系统
- 日志记录类
- 与数据库的连接
应用实例
java.lang.Runtime#getRuntime()
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