一、定义

保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点;是一种创建型模式
单例模式常见的有六种写法:

  1. 懒汉式(线程不安全)
  2. 饿汉式(线程安全)
  3. 懒汉式(线程安全)
  4. 双重校验锁(线程安全)
  5. 静态内部类(线程安全)
  6. 枚举(线程安全)

二、UML类图

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三、实现方式

1、懒汉式(线程不安全)

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

该实现中,私有静态变量 instance被延迟实例化,这样做的好处是,如果没有用到该类,那么就不会实例化 instance,从而节约资源。
显然,该实现在多线程环境下是不安全的,如果多个线程能够同时进入 if (instance == null) ,并且此时 instancenull,那么会有多个线程执行 instance = new Singleton(); 语句,这将导致实例化多次 instance

2、饿汉式(线程安全)

public class Singleton {

    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

该实现采取直接实例化 instance 的方式,不会产生线程不安全问题。但是同时也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

3、懒汉式(线程安全)

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

只需要对 getInstance() 方法加锁,那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法,从而避免了实例化多次 instance。但是当一个线程进入该方法之后,其它试图进入该方法的线程都必须等待,即使 instance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长,因此该方法有性能问题,不推荐使用

4、双重校验锁(线程安全)

public class Singleton {

    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null){
            synchronized(Singleton.class){
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton():
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

考虑下面的实现,也就是只使用了一个 if 语句。在 instance == null 的情况下,如果两个线程都执行了if 语句,那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作,但是两个线程都会执行 instance = new Singleton(); 这条语句,只是先后的问题,那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁,也就是需要使用两个 if 语句:第一个 if 语句用来避免 instance 已经被实例化之后的加锁操作,而第二个 if 语句进行了加锁,所以只能有一个线程进入,就不会出现 instance == null 时两个线程同时进行实例化操作。

if (instance == null) {
    synchronized (Singleton.class) {
        instance = new Singleton();
    }
}

instance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的, instance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行:

  1. instance 分配内存空间
  2. 初始化 instance
  3. instance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题,但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如,线程 T1 执行了 1 和 3,此时 T2 调用 getInstance() 后发现 instance 不为空,因此返回 instance,但此时 instance 还未被初始化。
使用 volatile可以禁止JVM的指令重排,保证在多线程环境下也能正常运行。

5、静态内部类(线程安全)

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

Singleton 类被加载时,静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCESingletonHolder 才会被加载,此时初始化 INSTANCE 实例,并且 JVM 能确保 INSTANCE 只被实例化一次
这种方式不仅具有延迟初始化的好处,而且由 JVM 提供了对线程安全的支持

6、枚举(线程安全)

public enum Singleton{
    INSTANCE;
    public void whateverMethod(){
        
    }
}

该实现可以防止反射攻击。在其它实现中,通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public,然后调用构造函数从而实例化对象,如果要防止这种攻击,需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次,因此不会出现上述的反射攻击。
该实现在多次序列化和序列化之后,不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient 修饰所有字段,并且实现序列化和反序列化的方法。
`

四、总结

1、优点

(1) 单例模式提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例,所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。

(2) 由于在系统内存中只存在一个对象,因此可以节约系统资源,对于一些需要频繁创建和销毁的对象单例模式无疑可以提高系统的性能。

(3) 允许可变数目的实例。基于单例模式我们可以进行扩展,使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例,既节省系统资源,又解决了单例单例对象共享过多有损性能的问题。

2、缺点

(1) 由于单例模式中没有抽象层,因此单例类的扩展有很大的困难。

(2) 单例类的职责过重,在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色,提供了工厂方法,同时又充当了产品角色,包含一些业务方法,将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。

(3) 现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术,因此,如果实例化的共享对象长时间不被利用,系统会认为它是垃圾,会自动销毁并回收资源,下次利用时又将重新实例化,这将导致共享的单例对象状态的丢失。

3、适用场景

(1) 系统只需要一个实例对象,如系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器,或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。

(2) 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点,除了该公共访问点,不能通过其他途径访问该实例。

Q.E.D.

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