Java设计模式之单例模式详解

在Java开发过程当中，不少场景下都会碰到或要用到单例模式，在设计模式里也是常常做为指导学习的热门模式之一，相信每位开发同事都用到过。咱们老是沿着前辈的足迹去作设定好的思路，每每没去探究为什么这么作，因此这篇文章对单例模式作了详解。

1、单例模式定义：

单例模式确保某个类只有一个实例，并且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具备资源管理器的功能。每台计算机能够有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以免两个打印做业同时输出到打印机中。每台计算机能够有若干通讯端口，系统应当集中管理这些通讯端口，以免一个通讯端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了不不一致状态，避免政出多头。

2、单例模式特色：
　　一、单例类只能有一个实例。
　　二、单例类必须本身建立本身的惟一实例。
　　三、单例类必须给全部其余对象提供这一实例。

单例模式保证了全局对象的惟一性，好比系统启动读取配置文件就须要单例保证配置的一致性。

3、线程安全的问题

一方面在获取单例的时候，要保证不能产生多个实例对象，后面会详细讲到五种实现方式；

另外一方面，在使用单例对象的时候，要注意单例对象内的实例变量是会被多线程共享的，推荐使用无状态的对象，不会由于多个线程的交替调度而破坏自身状态致使线程安全问题，好比咱们经常使用的VO，DTO等（局部变量是在用户栈中的，并且用户栈自己就是线程私有的内存区域，因此不存在线程安全问题）。

4、单例模式的选择

还记得咱们最先使用的MVC框架Struts1中的action就是单例模式的，而到了Struts2就使用了多例。在Struts1里，当有多个请求访问，每一个都会分配一个新线程，在这些线程，操做的都是同一个action对象，每一个用户的数据都是不一样的，而action却只有一个。到了Struts2， action对象为每个请求产生一个实例，并不会带来线程安全问题（实际上servlet容器给每一个请求产生许多可丢弃的对象，可是并无影响到性能和垃圾回收问题，有时间会作下研究）。

5、实现单例模式的方式

1.饿汉式单例（当即加载方式）

// 饿汉式单例
public class Singleton1 {
    // 私有构造
    private Singleton1() {}

    private static Singleton1 single = new Singleton1();

    // 静态工厂方法
    public static Singleton1 getInstance() {
        return single;
    }
}

 

饿汉式单例在类加载初始化时就建立好一个静态的对象供外部使用，除非系统重启，这个对象不会改变，因此自己就是线程安全的。

Singleton经过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的惟一实例只能经过getInstance()方法访问。（事实上，经过Java反射机制是可以实例化构造方法为private的类的，那基本上会使全部的Java单例实现失效。此问题在此处不作讨论，姑且闭着眼就认为反射机制不存在。）

2.懒汉式单例（延迟加载方式）

// 懒汉式单例
public class Singleton2 {

    // 私有构造
    private Singleton2() {}

    private static Singleton2 single = null;

    public static Singleton2 getInstance() {
        if(single == null){
            single = new Singleton2();
        }
        return single;
    }
}

 

该示例虽然用延迟加载方式实现了懒汉式单例，但在多线程环境下会产生多个single对象，如何改造请看如下方式:

使用synchronized同步锁

public class Singleton3 {
    // 私有构造
    private Singleton3() {}

    private static Singleton3 single = null;

    public static Singleton3 getInstance() {
        
        // 等同于 synchronized public static Singleton3 getInstance()
        synchronized(Singleton3.class){
          // 注意：里面的判断是必定要加的，不然出现线程安全问题
            if(single == null){
                single = new Singleton3();
            }
        }
        return single;
    }
}

在方法上加synchronized同步锁或是用同步代码块对类加同步锁，此种方式虽然解决了多个实例对象问题，可是该方式运行效率却很低下，下一个线程想要获取对象，就必须等待上一个线程释放锁以后，才能够继续运行。

public class Singleton4 {
    // 私有构造
    private Singleton4() {}

    private static Singleton4 single = null;

    // 双重检查
    public static Singleton4 getInstance() {
        if (single == null) {
            synchronized (Singleton4.class) {
                if (single == null) {
                    single = new Singleton4();
                }
            }
        }
        return single;
    }
}

 

使用双重检查进一步作了优化，能够避免整个方法被锁，只对须要锁的代码部分加锁，能够提升执行效率。

3.静态内部类实现

public class Singleton6 {
    // 私有构造
    private Singleton6() {}

    // 静态内部类
    private static class InnerObject{
        private static Singleton6 single = new Singleton6();
    }
    
    public static Singleton6 getInstance() {
        return InnerObject.single;
    }
}

 

静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性，可是在遇到序列化对象时，默认的方式运行获得的结果就是多例的。这种状况很少作说明了，使用时请注意。

4.static静态代码块实现

public class Singleton6 {
    
    // 私有构造
    private Singleton6() {}
    
    private static Singleton6 single = null;

    // 静态代码块
    static{
        single = new Singleton6();
    }
    
    public static Singleton6 getInstance() {
        return single;
    }
}

 

5.内部枚举类实现

public class SingletonFactory {
    
    // 内部枚举类
    private enum EnmuSingleton{
        Singleton;
        private Singleton8 singleton;
        
        //枚举类的构造方法在类加载是被实例化 
        private EnmuSingleton(){
            singleton = new Singleton8();
        }
        public Singleton8 getInstance(){
            return singleton;
        }
    }
    public static Singleton8 getInstance() {
        return EnmuSingleton.Singleton.getInstance();
    }
}

class Singleton8{
    public Singleton8(){}
}

 

以上就是本文要介绍的全部单例模式的理解和实现，相信这篇文章能让你们更清楚的理解单例模式，但愿你们有问题能够探讨，多多指教！

备注：本文单例实现部分，实例源码参照《Java多线程编程核心技术》-（高洪岩）一书中第六章的学习案例撰写。

获取文章中完整代码示例可访问github：https://github.com/fugaoyang/per-practice