23 种设计模式之单例模式

一、认识

①一句话来说就是，某个类只能有一个实例，提供一个全局的访问点。

②单例模式的要点有三个：

• 一是某个类只能有一个实例；
• 二是它必须自行创建这个实例；
• 三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

③使用Singleton的好处还在于可以节省内存，因为它限制了实例的个数，有利于Java垃圾回收（garbage collection），而且确保所有对象都访问唯一实例。但是不适用于变化的对象，如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化，单例就会引起数据的错误，不能保存彼此的状态。用单例模式，就是在适用其优点的状态下使用

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二、UML类图

UML说明：

• 1.构造方法私有化：可以使得该类不被实例化即不能被new
• 2.在类本身里创建自己的对象
• 3.提供一个公共的方法供其他对象访问

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三、代码实现

1. 饿汉式

第一种：

public class Singleton {

    /**
     * static：
     * ①表示共享变量，语意符合
     * ②使得该变量能在getInstance()静态方法中使用
     * final:
     * ①final修饰的变量值不会改变即常量，语意也符合，当然不加final也是可以的
     * ②保证修饰的变量必须在类加载完成时就已经进行赋值。
     * final修饰的变量，前面一般加static
     */
    private static final Singleton singleton = new Singleton();

    /**
     * 私有化构造方法，使外部无法通过构造方法构造除singleton外的类实例
     * 从而达到单例模式控制类实例数目的目的
     */
    private Singleton(){}

    /**
     * 类实例的全局访问方法
     * 因为构造方法以及被私有化，外部不可能通过new对象来调用其中的方法
     * 加上static关键词使得外部可以通过类名直接调用该方法获取类实例
     * @return
     */
    public static Singleton getSingleton() {
        return singleton;
    }
}

第二种

public class SingletonStatic {

    private static final SingletonStatic singletonStatic;

    /**
     * 和第一种没有什么区别，这种看起来高大上面试装逼使用
     */
    static {
        singletonStatic = new SingletonStatic();
    }

    private SingletonStatic() {}

    public static SingletonStatic getSingletonStatic(){
        return singletonStatic;
    }
}

说明：

• 优点： 一般使用static和final修饰变量（具体作用已经在代码里描述了），只在类加载时才会初始化，以后都不会，线程绝对安全，无锁，效率高。
• 缺点： 类加载的时候就初始化，不管用不用，都占用空间，会消耗一定的性能(当然很小很小，几乎可以忽略不计，所以这种模式在很多场合十分常用而且十分简单)

注： 这里有两个小知识点：

• 如果是final非static成员，必须在构造器、代码块、或者直接定义赋值
• 如果是final static 成员变量，必须直接赋值 或者在静态代码块中赋值

2. 懒汉式

public class Singleton {

    private static Singleton singleton = null;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getSingleton() {
        if(singleton == null){
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

说明：

• 优点： 在外部需要使用的时候才进行实例化，不使用的时候不会占用空间。
• 缺点： 线程不安全。看上去，这段代码没什么明显问题，但它不是线程安全的。假设当前有N个线程同时调用getInstance（）方法，由于当前还没有对象生成，所以一部分同时都进入if语句new
  Singleton(),那么就会由多个线程创建多个user对象。

3. 线程安全的懒汉式

public class Singleton {

    private static Singleton singleton;

    private Singleton(){};

    private static synchronized Singleton getSingleton(){
        if(singleton == null){
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

说明：

• 优点： 解决了懒汉式线程不安全的问题
• 缺点： 线程阻塞，影响性能。

4. DCL单例 - 高性能的懒汉式

public class Singleton {
 /*volatile在这里发挥的作用是：禁止指令重排序（编译器和处理器为了优化程序性能
    * 而对指令序列进行排序的一种手段。）
    * singleton = new Singleton();这句代码是非原子性操作可分为三行伪代码
    * a:memory = allocate() //分配内存，在jvm堆中分配一段区域
    * b:ctorInstanc(memory) //初始化对象，在jvm堆中的内存中实例化对象
    * c:instance = memory //赋值，设置instance指向刚分配的内存地址
    * 上面的代码在编译运行时，可能会出现重排序从a-b-c排序为a-c-b。
    * 重排序是为了优化性能，但是不管怎么重排序，在单线程下程序的执行结果不能被改变
    * 保证最终一致性。而在多线程环境下，可能发生重排序，会影响结果。
    * ①若A线程执行到代码singleton = new Singleton()时;
    * ②同时若B线程进来执行到代码到第一层检查if (singleton == null)
    * ③当cpu切换到A线程执行代码singleton = new Singleton();时发生了指令重排序，
    * 执行了a-b，没有执行c,此时的singleton对象只有地址，没有内容。然后cpu又切换到了B线程，
    * 这时singleton == null为false（==比较的是内存地址），
    * 则代码会直接执行到了return，返回一个未初始化的对象（只有地址，没有内容）。
    * */
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getSingleton() {
        /*第一层检查，检查是否有引用指向对象，高并发情况下会有多个线程同时进入
        * ①当多个线程第一次进入，所有线程都进入if语句
        * ②当多个线程第二次进入，因为singleton已经不为null，因此所有线程都不会进入if语句，
        * 即不会执行锁，从而也就不会因为锁而阻塞，避免锁竞争*/
        if (singleton == null) {
            /*第一层锁，保证只有一个线程进入，
            * ①多个线程第一次进入的时候，只有一个线程会进入，其他线程处于阻塞状态
            * 当进入的线程创建完对象出去之后，其他线程又会进入创建对象，所以有了第二次if检查
            * ②多个线程第二次是进入不到这里的，因为已被第一次if检查拦截*/
            synchronized (Singleton.class) {
                /*第二层检查，防止除了进入的第一个线程的其他线程重复创建对象*/
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

说明： 代码注释已详细讲解volatile在该单例模式的作用，已经双重锁的作用。

• 优点： 解决了线程阻塞的问题
• 缺点： 多个线程第一次进入的时候会造成大量的线程阻塞，代码不够优雅。

5. 静态内部类的方式

public class Singleton {

    private Singleton(){}

    private static class LayzInner{
        private static Singleton singleton = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getSingleton(){
        return LayzInner.singleton;
    }
}

说明：

• 优点： 第一次类创建的时候加载，避免了内存浪费，不存在阻塞问题，线程安全，唯一性
• 缺点： 序列化-漏洞：反射，会破坏内部类单例模式

6. 枚举单例模式

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    private Singleton singleton;
    EnumSingleton(){
        singleton = new Singleton();
    }
    public Singleton getSingleton(){
        return singleton;
    }
}

说明： 单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法，无法反射创建对象，是特殊的饿汉式。

7. 静态内部类升级版

借鉴枚举单例的内部实现的方式

public class Singleton {
    private Singleton(){
        if(LayzInner.singleton != null){
            throw new RuntimeException("不能够进行反射！");
        }
    }

    private static class LayzInner{
        private static Singleton singleton = new Singleton();
    }

    public static Singleton getSingleton (){
        return LayzInner.singleton;
    }
}

说明：

• 优点：第一次类创建的时候加载，避免了内存浪费，不存在阻塞问题，线程安全，唯一性，解决了反射会破坏内部类单例模式的问题
• 缺点：不是官方的

8. 容器式单例

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    private static Map<String, Object> ioc = new ConcurrentHashMap<>();

    public static Object getBean(String className) {
        synchronized (ioc) {
            if (ioc.containsKey(className)) {
                Object o = null;
                try {
                    o = Class.forName(className).newInstance();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return o;
            } else {
                return ioc.get(className);
            }
        }
    }
}

说明： Spring ioc 单例 是懒汉式 枚举上的升级

9. ThreadLocal单例

package com.rf.designPatterns.singleton.threadLocalSingleton;

/**
 * @description: ThreadLocal线程单例,为每一个线程提供一个对象，在访问的时候相互不影响
 */
public class ThreadLocalSingleton {

    //创建ThreadLocal实例对象，并且重写initialValue方法
    private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>  threadLocalSingleton =
            new ThreadLocal<ThreadLocalSingleton>(){
        @Override
        protected ThreadLocalSingleton initialValue() {
            return new ThreadLocalSingleton();
        }
    };

    //构造方法
    private ThreadLocalSingleton(){

    }

    //提供对外暴露的方法，获取ThreadLocalSingleton对象
    public static ThreadLocalSingleton getInstance(){
        return threadLocalSingleton.get();
    }
}

说明：

局部单例模式：某一个线程里唯一

①ThreadLocal的作用呢，是提供线程内的局部变量，在多线程环境访问时，能保证各个线程内的ThreadLocal变量各自独立。也就是说每个线程的ThreadLocal变量是自己专用的，其他线程是访问不到的。

②ThreadLocal最常用于在多线程环境下存在对非线程安全对象的并发访问，而且该对象不需要在线程内共享，如果对该对象加锁，会造成大量线程阻塞影响程序性能，这时候就可以使用ThreadLocal来使每个线程都持有该对象的副本，这是典型的空间换取时间从而提高执行效率的方式。例如项目里经常使用的SimpleDateFormat日期格式化对象，该对象是线程不安全的，而且不需要在线程内共享，因此可以使用ThreadLocal保证其线程安全。

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