01.Singleton Pattern 單例模式

来源:https://www.cnblogs.com/Acechengui/archive/2022/09/11/16684708.html
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Singleton Pattern 單例模式，作為創建型模式的一種，其保證了類的實例對象只有一個，並對外提供此唯一實例的訪問介面 概述 對於單例模式而言，其最核心的目的就是為了保證該類的實例對象是唯一的。為此一方面，需要將該類的構造函數設為private，另一方面，該類需要在內部完成實例的構造並對外 ...


Singleton Pattern 單例模式，作為創建型模式的一種，其保證了類的實例對象只有一個，並對外提供此唯一實例的訪問介面

在這裡插入圖片描述

概述

對於單例模式而言，其最核心的目的就是為了保證該類的實例對象是唯一的。為此一方面，需要將該類的構造函數設為private，另一方面，該類需要在內部完成實例的構造並對外提供訪問介面。單例模式的好處顯而易見，可以避免頻繁創建、銷毀實例所帶來的性能開銷；但其缺點也同樣明顯，此類不僅需要描述業務邏輯，同時還需要構造出該類的唯一對象並對外提供訪問介面，其顯然違背了單一職責原則

實現

單例模式的思想雖然簡單易懂，但實現起來卻可謂是花樣繁多、妙不可言。這裡來介紹幾種常見的單例模式的實現

餓漢式

如下實現最為簡單，當 SingletonDemo1 類被載入到JVM中，即會完成實例化。即不是所謂的Lazy Load 延遲載入，故通常被稱之為 “餓漢式” 單例。其最大的問題就在，可能構造出來的實例對象從頭到尾沒有被使用過(沒有調用過getInstance方法)，從而浪費記憶體。可能有人會對此有些困惑，SingletonDemo1 類被載入到JVM中了，那肯定是因為調用了getInstance方法啊。難道還有別的原因？答案是肯定的

這裡，我們先簡要補充一些類載入機制的相關知識點。我們知道Java中的類被載入到JVM中，通常會有如下幾個階段：載入、 驗證、準備、解析、初始化等。其中對於初始化階段而言，虛擬機規範嚴格規定了有且僅有以下5種情況必須立即對類進行初始化（而載入、 驗證、準備顯然必須在此之前開始）：

  1. 遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic類型的位元組碼指令時，在Java代碼層面上就是new對象、讀取或設置類的靜態變數（被final修飾、已在編譯期將結果放入常量池的靜態變數除外）、調用類的靜態方法
  2. 對該類使用反射
  3. 當初始化一個類的時候，如果發現其父類還未初始化，則需要先初始化父類
  4. 當JVM啟動時，虛擬機會先初始化開發者所指定的主類（即main方法所在類）
  5. 當使用JDK 1.7的動態語言支持時，如果一個java.lang.invoke.MethodHandle實例最後解析的結果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，且該方法句柄所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化

說到這裡，大家可能就明白了，如果SingletonDemo1類中還有其他靜態方法，一旦被調用就會導致SingletonDemo1類被載入、初始化，此時即完成了實例的構造。眾所周知，JVM保證了類載入過程的線程安全，所以餓漢式單例同樣是線程安全的

/**
 * 單例模式1，餓漢式
 */
public class SingletonDemo1 {
    private static SingletonDemo1 instance = new SingletonDemo1("我是餓漢式的單例");

    private String description;

    /**
     * 私有構造器
     * @param description
     */
    private SingletonDemo1(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }

    /**
     * 提供實例的訪問介面
     * @return
     */
    public static SingletonDemo1 getInstance() {
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo1 singletonDemo1 = SingletonDemo1.getInstance();
        singletonDemo1.getInfo();
    }
}

測試結果如下所示

懶漢式

前面說到，餓漢式單例會導致記憶體空間的浪費，那麼有沒有辦法解決這個問題呢？答案是有的，這就是”懶漢式”單例。顧名思義，其實例不是在類載入、初始化時被構建的，而是在真正需要的時候才去創建，如下所示

/**
 * 單例模式2，線程不安全的懶漢式
 */
public class SingletonDemo2 {
    private static SingletonDemo2 instance = null;
    private String description;

    private SingletonDemo2(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }

    public static SingletonDemo2 getInstance() {
        if( instance==null ) {
            instance = new SingletonDemo2("我是線程不安全的懶漢式單例");
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo2 singletonDemo2 = SingletonDemo2.getInstance();
        singletonDemo2.getInfo();
    }

}

測試結果如下所示

在這裡插入圖片描述

“懶漢式”單例雖然實現了Lazy Load延遲載入，但是其存在一個很嚴重的問題，不是線程安全的。所以如果在多線程環境下，我們需要使用下麵線程安全的”懶漢式”單例，其保障線程安全的手段也很簡單，直接使用synchronized來修飾getInstance方法。這種辦法過於簡單粗暴，同時會導致效率十分低下。實例一旦被構造完畢後，由於鎖的存在，導致每次只能由一個線程可以獲取到實例對象

/**
 * 單例模式3， 線程安全但效率低下的懶漢式
 */
public class SingletonDemo3 {
    private static SingletonDemo3 intance = null;
    private String description;

    private SingletonDemo3(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.printf(description);
    }

    public static synchronized SingletonDemo3 getInstance() {
        if( intance==null ) {
            intance = new SingletonDemo3("我是線程安全線程安全但效率低下的懶漢式單例");
        }
        return intance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo3 singletonDemo3 = SingletonDemo3.getInstance();
        singletonDemo3.getInfo();
    }
}

測試結果如下所示
在這裡插入圖片描述

基於DCL(Double-Checked Locking)雙重檢查鎖的單例

通過前面我們看到，無論是餓漢式單例還是懶漢式單例，其都有明顯的缺點。那麼有沒有一種完美的單例？既可以實現Lazy Load延遲載入，又可以在保證線程安全的前提下依然具備較高的效率呢。答案是肯定——基於DCL(Double-Checked Locking)雙重檢查鎖的單例。其實現如下，該單例實現中進行了兩次檢查。第一次檢查時如果發現實例已經構造完畢了，則無需加鎖直接返回實例對象即可。其保證了實例在構建完成後，其他多個線程可以同時快速獲取該實例。第二次檢查時則是為了避免重覆構造實例，因為在還未構造實例前，可能會有多個線程通過了第一次檢查，準備加鎖來構造實例。在DCL的單例實現中，尤其需要註意的一點是靜態變數instance必須要使用volatile進行修飾。其原因在於volatile禁止了指令的重排序。這裡就此問題再作一些詳細的解釋說明：在JDK1.5之前的Java記憶體模型中，雖然不允許volatile變數之間進行重排序，但卻允許普通變數與volatile變數之間的重排序。所以在JSR 133(JDK 1.5)中對volatile變數的記憶體語義進一步增強，即限制了普通變數與volatile變數之間是否可以重排序的具體場景。這也是為什麼在JDK 1.5之前無法通過DCL實現一個線程安全的單例模式

/**
 * 單例模式4，基於DCL的線程安全的單例
 */
public class SingletonDemo4 {
    // 此處必須要使用volatile修飾!
    private static volatile SingletonDemo4 instance = null;
    private String description;

    private SingletonDemo4(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }

    public static SingletonDemo4 getInstance() {
        if( instance==null ) {  // 第一次檢查：如果實例已經構造完成則直接取，避免每次取之前需要獲取鎖
               synchronized (SingletonDemo4.class) {
                    if(instance==null) {    // 第二次檢查：避免構造出多個實例
                        instance = new SingletonDemo4("我是基於DCL的線程安全的單例");
                    }
               }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo4 singletonDemo4 = SingletonDemo4.getInstance();
        singletonDemo4.getInfo();
    }

}

測試結果如下
在這裡插入圖片描述

基於靜態內部類的單例

前面我們說到的第一種單例實現，之所以被稱為餓漢式、非延遲載入。其原因就在於類的載入、初始化不能100%保證是因為調用getInstance方法引起的。而這裡我們通過靜態內部類的方式來實現一個延遲載入的單例，代碼如下所示。當調用外部類SingletonDemo5的一些靜態方法(當然getInstance方法除外)，只會載入、初始化外部類SingletonDemo5，而不會去初始化靜態內部類SingletonDemo5Holder。只有通過調用getInstance方法訪問了靜態內部類SingletonDemo5Holder的靜態變數instance，靜態內部類SingletonDemo5Holder才會被載入、初始化，顯然此時實例才會被真正的構造。所以對於基於靜態內部類的單例實現而言，其之所以能保證Lazy Load延遲載入特性，是其因為通過SingletonDemo5Holder靜態內部類100%保證了靜態內部類被載入、初始化是因為調用外部類的getInstance方法而導致的。同樣地，該方式的單例也是滿足線程安全的，原因在餓漢式單例實現中已作解釋，此處就不再贅述

/**
 * 單例模式5，靜態內部類
 */
public class SingletonDemo5 {
    private String description;

    private SingletonDemo5(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }

    private static class SingletonDemo5Holder{
        private static final SingletonDemo5 instance = new SingletonDemo5("我是基於靜態內部類的線程安全的單例");
    }

    public static SingletonDemo5 getInstance() {
        return SingletonDemo5Holder.instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo5 singletonDemo5 = SingletonDemo5.getInstance();
        singletonDemo5.getInfo();
    }
}

測試結果如下所示
在這裡插入圖片描述

基於枚舉的單例

對於Java的枚舉類型而言，其構造器是且只能是private私有的。故其特別適合用於實現單例模式。下麵即是一個基於枚舉的單例實現，可以看到此種實現非常簡潔優雅。當枚舉類進行載入、初始化時，即會完成實例的構建，我們通過枚舉的特性保證了實例的唯一性，當然其不是Lazy Load延遲載入的。與此同時根據類的載入機制我們可知其也是線程安全的(由JVM保證)

/**
 * 單例模式6，枚舉法
 */
public enum SingletonDemo6 {
    INSTANCE("我是枚舉法的單例");

    private String description;

    /**
     * 枚舉的構造器預設訪問許可權是private, 當然也只能是私有的
     * @param description
     */
    SingletonDemo6(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }
}
...
/**
 * 測試用例
 */
public class SingletonDemo6Test {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo6 singletonDemo6 = SingletonDemo6.INSTANCE;
        singletonDemo6.getInfo();
    }
}

測試結果如下

在這裡插入圖片描述

參考文獻

  1. Head First 設計模式 弗里曼著
辰鬼丫
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