單例模式的五種實現方式及優缺點

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當咱們須要使得某個類只能有一個實例時，可使用單例模式。

單例模式（Singleton Design Pattern）保證一個類只能有一個實例，並提供一個全局訪問點。

單例模式的實現須要三個必要的條件：

1. 單例類的構造函數必須是私有的，這樣才能將類的建立權控制在類的內部，從而使得類的外部不能建立類的實例。
2. 單例類經過一個私有的靜態變量來存儲其惟一實例。
3. 單例類經過提供一個公開的靜態方法，使得外部使用者能夠訪問類的惟一實例。

注意：
由於單例類的構造函數是私有的，因此單例類不能被繼承。

另外，實現單例類時，還須要考慮三個問題：

• 建立單例對象時，是否線程安全。
• 單例對象的建立，是否延時加載。
• 獲取單例對象時，是否須要加鎖（鎖會致使低性能）。

下面介紹五種實現單例模式的方式。

1，餓漢式

餓漢式的單例實現比較簡單，其在類加載的時候，靜態實例instance 就已建立並初始化好了。

代碼以下：

public class Singleton { 
  private static final Singleton instance = new Singleton();
  
  private Singleton () {}
  
  public static Singleton getInstance() {
    return instance;
  }
}

餓漢式單例優缺點：

• 優勢：
  • 單例對象的建立是線程安全的；
  • 獲取單例對象時不須要加鎖。
• 缺點：單例對象的建立，不是延時加載。

通常認爲延時加載能夠節省內存資源。可是延時加載是否是真正的好，要看實際的應用場景，而不必定全部的應用場景都須要延時加載。

2，懶漢式

與餓漢式對應的是懶漢式，懶漢式爲了支持延時加載，將對象的建立延遲到了獲取對象的時候，但爲了線程安全，不得不爲獲取對象的操做加鎖，這就致使了低性能。

而且這把鎖只有在第一次建立對象時有用，而以後每次獲取對象，這把鎖都是一個累贅（雙重檢測對此進行了改進）。

代碼以下：

public class Singleton { 
  private static final Singleton instance;
  
  private Singleton () {}
  
  public static synchronized Singleton getInstance() {    
    if (instance == null) {      
      instance = new Singleton();    
    }    

    return instance;  
  }
}

懶漢式單例優缺點：

• 優勢：
  • 對象的建立是線程安全的。
  • 支持延時加載。
• 缺點：獲取對象的操做被加上了鎖，影響了併發度。
  • 若是單例對象須要頻繁使用，那這個缺點就是沒法接受的。
  • 若是單例對象不須要頻繁使用，那這個缺點也無傷大雅。

3，雙重檢測

餓漢式和懶漢式的單例都有缺點，雙重檢測的實現方式解決了這二者的缺點。

雙重檢測將懶漢式中的 synchronized 方法改爲了 synchronized 代碼塊。以下：

public class Singleton { 
  private static Singleton instance;
  
  private Singleton () {}
  
  public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) { // 注意這裏是類級別的鎖
        if (instance == null) {       // 這裏的檢測避免多線程併發時屢次建立對象
          instance = new Singleton();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
}

這種實現方式在 Java 1.4 及更早的版本中有些問題，就是指令重排序，可能會致使 Singleton 對象被 new 出來，而且賦值給 instance 以後，還沒來得及初始化，就被另外一個線程使用了。

要解決這個問題，須要給 instance 成員變量加上 volatile 關鍵字，從而禁止指令重排序。

而高版本的 Java 已在 JDK 內部解決了這個問題，因此高版本的 Java 不須要關注這個問題。

雙重檢測單例優勢：

• 對象的建立是線程安全的。
• 支持延時加載。
• 獲取對象時不須要加鎖。

4，靜態內部類

用靜態內部類的方式實現單例類，利用了Java 靜態內部類的特性：

• Java 加載外部類的時候，不會建立內部類的實例，只有在外部類使用到內部類的時候纔會建立內部類實例。

代碼以下：

public class Singleton { 
  private Singleton () {}

  private static class SingletonInner {
    private static final Singleton instance = new Singleton();
  }
  
  public static Singleton getInstance() {
    return SingletonInner.instance;
  }
}

SingletonInner 是一個靜態內部類，當外部類 Singleton 被加載的時候，並不會建立 SingletonInner 實例對象。

只有當調用 getInstance() 方法時，SingletonInner 纔會被加載，這個時候纔會建立 instance。instance 的惟一性、建立過程的線程安全性，都由 JVM 來保證。

靜態內部類單例優勢：

• 對象的建立是線程安全的。
• 支持延時加載。
• 獲取對象時不須要加鎖。

5，枚舉

用枚舉來實現單例，是最簡單的方式。這種實現方式經過 Java 枚舉類型自己的特性，保證了實例建立的線程安全性和實例的惟一性。

public enum Singleton {
  INSTANCE; // 該對象全局惟一
}

6，多例模式

上面介紹了5 種單例模式的實現方式，下面做爲對單例模式的擴展，再來介紹一下多例模式以及線程間惟一的單例模式。先來看下多例模式。

單例模式是指，一個類只能建立一個對象。那麼多例模式就是，一個類能夠建立多個對象，可是對象個數能夠控制。

對於多例模式，咱們能夠將類的實例都編上號，而後將實例存放在一個 Map 中。

代碼以下：

public class MultiInstance {
    // 實例編號
    private long instanceNum;

    // 用於存放實例
    private static final Map<Long, MultiInstance> ins = new HashMap<>();

    static {
        // 存放 3 個實例
        ins.put(1L, new MultiInstance(1));
        ins.put(2L, new MultiInstance(2));
        ins.put(3L, new MultiInstance(3));
    }

    private MultiInstance(long n) {
        this.instanceNum = n;
    }

    public MultiInstance getInstance(long n) {
        return ins.get(n);
    }
}

實際上，Java 中的枚舉就是一個「自然」的多例模式，其中的每一項表明一個實例，以下：

public enum MultiInstance {
    ONE,
    TWO,
    THREE;
}

7，線程惟一的單例

通常狀況下，咱們所說的單例的做用範圍是進程惟一的，就是在一個進程範圍內，一個類只容許建立一個對象，進程內的多個線程之間也是共享同一個實例。

實際上，在Java 中，每一個類加載器都定義了一個命名空間。因此咱們這裏實現的單例是依賴類加載器的，也就是在同一個類加載器中，咱們實現的單例就是真正的單例模式。不然若是有多個類加載器，就會有多個單例出現了。一個解決辦法是：自行指定類加載器，而且指定同一個類加載器。

那麼線程惟一的單例就是，一個實例只能被一個線程擁有，一個進程內的多個線程擁有不一樣的類實例。

咱們一樣能夠用 Map 來實現，代碼以下：

public class ThreadSingleton {
    private static final ConcurrentHashMap<Long, ThreadSingleton> instances
            = new ConcurrentHashMap<>();

    private ThreadSingleton() {}

    public static ThreadSingleton getInstance() {
        Long id = Thread.currentThread().getId();
        instances.putIfAbsent(id, new ThreadSingleton());
        return instances.get(id);
    }
}

8，使用場景

單例模式能夠用來管理一些共享資源，好比數據庫鏈接池，線程池；解決資源衝突問題，好比日誌打印。節省內存空間，好比配置信息類。

（本節完。）

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