單例模式（Singleton ）的幾種用法以及使用條件

時間 2019-11-18

標籤模式 singleton 幾種用法以及使用條件简体版

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單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單的設計模式之一。這種類型的設計模式屬於建立型模式，它提供了一種建立對象的最佳方式。java

這種模式涉及到一個單一的類，該類負責建立本身的對象，同時確保只有單個對象被建立。這個類提供了一種訪問其惟一的對象的方式，能夠直接訪問，不須要實例化該類的對象。數據庫

注意：設計模式

一、單例類只能有一個實例。
二、單例類必須本身建立本身的惟一實例。

三、單例類必須給全部其餘對象提供這一實例。
介紹

意圖：保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點。緩存

主要解決：一個全局使用的類頻繁地建立與銷燬。安全

什麼時候使用：當您想控制實例數目，節省系統資源的時候。多線程

如何解決：判斷系統是否已經有這個單例，若是有則返回，若是沒有則建立。函數

關鍵代碼：構造函數是私有的。性能

應用實例： 一、一個黨只能有一個主席。二、Windows 是多進程多線程的，在操做一個文件的時候，就不可避免地出現多個進程或線程同時操做一個文件的現象，因此全部文件的處理必須經過惟一的實例來進行。三、一些設備管理器經常設計爲單例模式，好比一個電腦有兩臺打印機，在輸出的時候就要處理不能兩臺打印機打印同一個文件。spa

優勢： 一、在內存裏只有一個實例，減小了內存的開銷，尤爲是頻繁的建立和銷燬實例（好比管理學院首頁頁面緩存）。二、避免對資源的多重佔用（好比寫文件操做）。線程

缺點：沒有接口，不能繼承，與單一職責原則衝突，一個類應該只關心內部邏輯，而不關心外面怎麼樣來實例化。

使用場景： 一、要求生產惟一序列號。二、WEB 中的計數器，不用每次刷新都在數據庫里加一次，用單例先緩存起來。三、建立的一個對象須要消耗的資源過多，好比 I/O 與數據庫的鏈接等。

注意事項：getInstance() 方法中須要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class) 防止多線程同時進入形成 instance 被屢次實例化。

實現

咱們將建立一個 SingleObject 類。SingleObject 類有它的私有構造函數和自己的一個靜態實例。

SingleObject 類提供了一個靜態方法，供外界獲取它的靜態實例。SingletonPatternDemo，咱們的演示類使用 SingleObject 類來獲取 SingleObject 對象。

步驟 1

建立一個 Singleton 類。

SingleObject.java
```
public class SingleObject {

   //建立 SingleObject 的一個對象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();

   //讓構造函數爲 private，這樣該類就不會被實例化
   private SingleObject(){}

   //獲取惟一可用的對象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }

   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}
```
步驟 2

從 singleton 類獲取惟一的對象。

SingletonPatternDemo.java
```
public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {

      //不合法的構造函數
      //編譯時錯誤：構造函數 SingleObject() 是不可見的
      //SingleObject object = new SingleObject();

      //獲取惟一可用的對象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();

      //顯示消息
      object.showMessage();
   }
}
```
步驟 3

驗證輸出。
```
Hello World!
```
單例模式的幾種實現方式

單例模式的實現有多種方式，以下所示：

一、懶漢式，線程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：否

實現難度：易

描述：這種方式是最基本的實現方式，這種實現最大的問題就是不支持多線程。由於沒有加鎖 synchronized，因此嚴格意義上它並不算單例模式。
這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工做。

代碼實例：
```
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}
```
接下來介紹的幾種實現方式都支持多線程，可是在性能上有所差別。

二、懶漢式，線程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實現難度：易

描述：這種方式具有很好的 lazy loading，可以在多線程中很好的工做，可是，效率很低，99% 狀況下不須要同步。
優勢：第一次調用才初始化，避免內存浪費。
缺點：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。
getInstance() 的性能對應用程序不是很關鍵（該方法使用不太頻繁）。

代碼實例：
```
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}
```
三、餓漢式

是否 Lazy 初始化：否

是否多線程安全：是

實現難度：易

描述：這種方式比較經常使用，但容易產生垃圾對象。
優勢：沒有加鎖，執行效率會提升。
缺點：類加載時就初始化，浪費內存。
它基於 classloder 機制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時就實例化，雖然致使類裝載的緣由有不少種，在單例模式中大多數都是調用 getInstance 方法，可是也不能肯定有其餘的方式（或者其餘的靜態方法）致使類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達到 lazy loading 的效果。

代碼實例：
```
public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
    }  
}
```
四、雙檢鎖/雙重校驗鎖（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實現難度：較複雜

描述：這種方式採用雙鎖機制，安全且在多線程狀況下能保持高性能。
getInstance() 的性能對應用程序很關鍵。

代碼實例：
```
public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
        if (singleton == null) {  
            singleton = new Singleton();  
        }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}
```
五、登記式/靜態內部類

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實現難度：通常

描述：這種方式能達到雙檢鎖方式同樣的功效，但實現更簡單。對靜態域使用延遲初始化，應使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用於靜態域的狀況，雙檢鎖方式可在實例域須要延遲初始化時使用。
這種方式一樣利用了 classloder 機制來保證初始化 instance 時只有一個線程，它跟第 3 種方式不一樣的是：第 3 種方式只要 Singleton 類被裝載了，那麼 instance 就會被實例化（沒有達到 lazy loading 效果），而這種方式是 Singleton 類被裝載了，instance 不必定被初始化。由於 SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有顯示經過調用 getInstance 方法時，纔會顯示裝載 SingletonHolder 類，從而實例化 instance。想象一下，若是實例化 instance 很消耗資源，因此想讓它延遲加載，另一方面，又不但願在 Singleton 類加載時就實例化，由於不能確保 Singleton 類還可能在其餘的地方被主動使用從而被加載，那麼這個時候實例化 instance 顯然是不合適的。這個時候，這種方式相比第 3 種方式就顯得很合理。

代碼實例：
```
public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
    return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}
```
六、枚舉

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多線程安全：是

實現難度：易

描述：這種實現方式尚未被普遍採用，但這是實現單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支持序列化機制，絕對防止屢次實例化。
這種方式是 Effective Java 做者 Josh Bloch 提倡的方式，它不只能避免多線程同步問題，並且還自動支持序列化機制，防止反序列化從新建立新的對象，絕對防止屢次實例化。不過，因爲 JDK1.5 以後才加入 enum 特性，用這種方式寫難免讓人感受生疏，在實際工做中，也不多用。
不能經過 reflection attack 來調用私有構造方法。

代碼實例：
```
public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}
```
經驗之談：通常狀況下，不建議使用第 1 種和第 2 種懶漢方式，建議使用第 3 種餓漢方式。只有在要明確實現 lazy loading 效果時，纔會使用第 5 種登記方式。若是涉及到反序列化建立對象時，能夠嘗試使用第 6 種枚舉方式。若是有其餘特殊的需求，能夠考慮使用第 4 種雙檢鎖方式。