Java单例模式的不同写法（懒汉式、饿汉式、双检锁、静态内部类、枚举）[通俗易懂]

2022-09-15 09:27:44 浏览数 (1)

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

目录

1、饿汉模式

2、懒汉模式

3、双重校验锁【推荐】

4、静态内部类【推荐】

5、枚举

6、单例模式的线程安全性

Java中单例(Singleton)模式是一种广泛使用的设计模式。单例模式的主要作用是保证在Java程序中，某个类只有一个实例存在。

它的核心在于，单例模式可以保证一个类仅创建一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

一些管理器和控制器常被设计成单例模式。

单例模式好处:

  1. 它能够避免实例对象的重复创建，不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；
  2. 能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。
  3. 如果一个对象有可能贯穿整个应用程序，而且起到了全局统一管理控制的作用，那么单例模式也许是一个值得考虑的选择。

单例模式有很多种写法，大部分写法都或多或少有一些不足。下面将分别对这几种写法进行介绍。

该模式有三个基本要点：

  • 一是这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。

1、饿汉模式

代码语言：javascript复制
// 饿汉模式
public final class Singleton {
    private static Singleton instance=new Singleton();// 自行创建实例
    private Singleton(){}// 构造函数
    public static Singleton getInstance(){// 通过该函数向整个系统提供实例
        return instance;
    }
}

从代码中我们看到，类的构造函数定义为private的，保证其他类不能实例化此类，然后提供了一个静态实例并返回给调用者。饿汉模式是最简单的一种实现方式，饿汉模式在类加载的时候就对实例进行创建，实例在整个程序周期都存在。

  • 它的好处是只在类加载的时候创建一次实例，不会存在多个线程创建多个实例的情况，避免了多线程同步的问题。
  • 它的缺点也很明显，即使这个单例没有用到也会被创建，而且在类加载之后就被创建，内存就被浪费了。
  • 这种实现方式适合单例占用内存比较小，在初始化时就会被用到的情况。但是，如果单例占用的内存比较大，或单例只是在某个特定场景下才会用到，使用饿汉模式就不合适了，这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载。

2、懒汉模式

代码语言：javascript复制
// 懒汉模式
public final class Singleton {
    private static Singleton instance= null;// 不实例化
    private Singleton(){}// 构造函数
    public static Singleton getInstance(){// 通过该函数向整个系统提供实例
        if(null == instance){// 当 instance 为 null 时，则实例化对象，否则直接返回对象
            instance = new Singleton();// 实例化对象
        }
        return instance;// 返回已存在的对象
    }
}
  • 好处：懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建，再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。
  • 适用于：如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。
  • 缺点：但是这里的懒汉模式并没有考虑线程安全问题，在多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法，导致创建多个实例，因此需要加锁解决线程同步问题，实现如下:

以上代码在单线程下运行是没有问题的，但要运行在多线程下，就会出现实例化多个类对象的情况。这是怎么回事呢？

当线程 A 进入到 if 判断条件后，开始实例化对象，此时 instance 依然为 null；又有线程 B 进入到 if 判断条件中，之后也会通过条件判断，进入到方法里面创建一个实例对象。

所以我们需要对该方法进行加锁，保证多线程情况下仅创建一个实例。这里我们使用 Synchronized 同步锁来修饰 getInstance 方法：

代码语言：javascript复制
// 懒汉模式   synchronized 同步锁
public final class Singleton {
    private static Singleton instance= null;// 不实例化
    private Singleton(){}// 构造函数
    public static synchronized Singleton getInstance(){// 加同步锁，通过该函数向整个系统提供实例
        if(null == instance){// 当 instance 为 null 时，则实例化对象，否则直接返回对象
            instance = new Singleton();// 实例化对象
        }
        return instance;// 返回已存在的对象
    }
}

但同步锁会增加锁竞争，带来系统性能开销，从而导致系统性能下降，因此这种方式也会降低单例模式的性能。

还有，每次请求获取类对象时，都会通过 getInstance() 方法获取，除了第一次为 null，其它每次请求基本都是不为 null 的。在没有加同步锁之前，是因为 if 判断条件为 null 时，才导致创建了多个实例。基于以上两点，我们可以考虑将同步锁放在 if 条件里面，这样就可以减少同步锁资源竞争。

代码语言：javascript复制
// 懒汉模式   synchronized 同步锁
public final class Singleton {
    private static Singleton instance= null;// 不实例化
    private Singleton(){}// 构造函数
    public static Singleton getInstance(){// 加同步锁，通过该函数向整个系统提供实例
        if(null == instance){// 当 instance 为 null 时，则实例化对象，否则直接返回对象
          synchronized (Singleton.class){
              instance = new Singleton();// 实例化对象
          } 
        }
        return instance;// 返回已存在的对象
    }
}

你是不是觉得这样就可以了呢？答案是依然会创建多个实例。这是因为当多个线程进入到 if 判断条件里，虽然有同步锁，但是进入到判断条件里面的线程依然会依次获取到锁创建对象，然后再释放同步锁。所以我们还需要在同步锁里面再加一个判断条件

3、双重校验锁【推荐】

  1. 这个问题在Java面试中经常被问到，但是面试官对回答此问题的满意度仅为50%。
  2. 一半的人写不出双检锁，还有一半的人说不出它的隐患和Java1.5是如何对它修正的。
  3. 它其实是一个用来创建线程安全的单例的老方法，当单例实例第一次被创建时它试图用单个锁进行性能优化，
  4. 但是由于太过于复杂在JDK1.4中它是失败的，我个人也不喜欢它。无论如何，即便你也不喜欢它但是还是要了解一下，因为它经常被问到。
  • 加锁的懒汉模式看起来即解决了线程并发问题，又实现了延迟加载，然而它存在着性能问题，依然不够完美。
  • synchronized修饰的同步方法比一般方法要慢很多，如果多次调用getInstance()，累积的性能损耗就比较大了。
  • 因此就有了双重校验锁，先看下它的实现代码。
代码语言：javascript复制
// 懒汉模式   synchronized 同步锁   double-check
public final class Singleton {
    private static Singleton instance= null;// 不实例化
    private Singleton(){}// 构造函数
    public static Singleton getInstance(){// 加同步锁，通过该函数向整个系统提供实例
        if(null == instance){// 第一次判断，当 instance 为 null 时，则实例化对象，否则直接返回对象
          synchronized (Singleton.class){// 同步锁
             if(null == instance){// 第二次判断
                instance = new Singleton();// 实例化对象
             }
          } 
        }
        return instance;// 返回已存在的对象
    }
}

可以看到上面在同步代码块内多了一层instance为空的判断。由于单例对象只需要创建一次，如果后面再次调用getInstance()只需要直接返回单例对象。

  • 因此，大部分情况下，调用getInstance()都不会执行到同步代码块，从而提高了程序性能。
  • 不过还需要考虑一种情况，假如两个线程A、B，A执行了if (instance == null)语句，它会认为单例对象没有创建，此时线程切到B也执行了同样的语句，B也认为单例对象没有创建，然后两个线程依次执行同步代码块，并分别创建了一个单例对象。为了解决这个问题，还需要在同步代码块中增加if (instance == null)语句，也就是上面看到的代码中的校验2。
  • 双检锁隐患：

我们看到双重校验锁即实现了延迟加载，又解决了线程并发问题，同时还解决了执行效率问题，是否真的就万无一失了呢？

  • 这里要提到Java中的指令重排优化和 Happens-Before 规则。所谓指令重排优化是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快。
  • JVM中并没有规定编译器优化相关的内容，也就是说JVM可以自由的进行指令重排序的优化。
  • 这个问题的关键就在于由于指令重排优化的存在，导致初始化Singleton和将对象地址赋给instance字段的顺序是不确定的。
  • 在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。
  • 此时就可以将分配的内存地址赋值给instance字段了，然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstance，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。

Happens-Before 规则 通过字面意思，你可能会误以为是前一个操作发生在后一个操作之前。然而真正的意思是，前一个操作的结果可以被后续的操作获取。这条规则规范了编译器对程序的重排序优化。

  • JDK5的修正：以上就是双重校验锁会失效的原因，不过还好在JDK1.5及之后版本增加了volatile关键字。
    • volatile的一个语义是禁止指令重排序优化，也就保证了instance变量被赋值的时候对象已经是初始化过的，从而避免了上面说到的问题。
    • Java中的volatile 变量是什么？
      1. 理解volatile关键字的作用的前提是要理解Java内存模型，volatile关键字的作用主要有两个：
      3. （1）多线程主要围绕可见性和原子性两个特性而展开，使用volatile关键字修饰的变量，保证了其在多线程之间的可见性，
      4. 即每次读取到volatile变量，一定是最新的数据
      6. （2）代码底层执行不像我们看到的高级语言—-Java程序这么简单，
      7. 它的执行是Java代码–>字节码–>根据字节码执行对应的C/C 代码–>C/C 代码被编译成汇编语言–>和硬件电路交互，
      8. 现实中，为了获取更好的性能JVM可能会对指令进行重排序，多线程下可能会出现一些意想不到的问题。
      9. 使用volatile则会对禁止语义重排序，当然这也一定程度上降低了代码执行效率
      12. 从实践角度而言，volatile的一个重要作用就是和CAS结合，保证了原子性，
      13. 详细的可以参见java.util.concurrent.atomic包下的类，比如AtomicInteger。
        1. CAS（Compare and swap）比较和替换是设计并发算法时用到的一种技术。
        2. 简单来说，比较和替换是使用一个期望值和一个变量的当前值进行比较，如果当前变量的值与我们期望的值相等，就使用一个新值替换当前变量的值。

  1. volatile是一个特殊的修饰符，只有成员变量才能使用它。
  2. 在Java并发程序缺少同步类的情况下，多线程对成员变量的操作对其它线程是透明的。
  3. volatile变量可以保证下一个读取操作会在前一个写操作之后发生。 来源： http://blog.csdn.net/fly910905/article/details/79283557

代码如下：

代码语言：javascript复制
// 懒汉模式   synchronized 同步锁   double-check
public final class Singleton {
    private volatile static Singleton instance= null;// 不实例化
    public List<String> list = null;//list 属性
    private Singleton(){
      list = new ArrayList<String>();
    }// 构造函数
    public static Singleton getInstance(){// 加同步锁，通过该函数向整个系统提供实例
        if(null == instance){// 第一次判断，当 instance 为 null 时，则实例化对象，否则直接返回对象
          synchronized (Singleton.class){// 同步锁
             if(null == instance){// 第二次判断
                instance = new Singleton();// 实例化对象
             }
          } 
        }
        return instance;// 返回已存在的对象
    }
}

4、静态内部类【推荐】

除了上面的三种方式，还有另外一种实现单例的方式，通过静态内部类来实现。

首先看一下它的实现代码：

代码语言：javascript复制
// 懒汉模式 内部类实现
public final class Singleton {
	public List<String> list = null;// list 属性
 
	private Singleton() {// 构造函数
		list = new ArrayList<String>();
	}
 
	// 内部类实现
	public static class InnerSingleton {
		private static Singleton instance=new Singleton();// 自行创建实例
	}
 
	public static Singleton getInstance() {
		return InnerSingleton.instance;// 返回内部类中的静态变量
	}
}

这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个instance实例。它与饿汉模式一样，也是利用了类加载机制，因此不存在多线程并发的问题。

不一样的是，它是在内部类里面去创建对象实例。

这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。

5、枚举

枚举模式最安全，反射和序列化都是单例。 《Effective Java》作者也是强烈推荐枚举方式实现单例。

代码语言：javascript复制
public class Resource {


    private Resource(){}

    /**
     * 枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次
     */
    private enum Singleton{
        INSTANCE;

        private final Resource instance;

        Singleton(){
            instance = new Resource();
        }

        private Resource getInstance(){
            return instance;
        }
    }

    public static Resource getInstance(){

        return Singleton.INSTANCE.getInstance();
    }
}
  • 上面的类Resource是我们要应用单例模式的资源，具体可以表现为网络连接，数据库连接，线程池等等。
  • 获取资源的方式很简单，只要 Singleton.INSTANCE.getInstance() 即可获得所要实例。

下面我们来看看单例是如何被保证的：

  1. 首先，在枚举中我们明确了构造方法限制为私有，在我们访问枚举实例时会执行构造方法。
  2. 同时每个枚举实例都是static final类型的，也就表明只能被实例化一次。在调用构造方法时，我们的单例被实例化。
  3. 也就是说，因为enum中的实例被保证只会被实例化一次，所以我们的INSTANCE也被保证实例化一次。
  • 可以看到，枚举实现单例还是比较简单的，除此之外我们再来看一下Enum这个类的声明：

public abstract class Enum<E extends Enum<E>>implements Comparable<E>, Serializable

  • 可以看到，枚举也提供了序列化机制。某些情况，比如我们要通过网络传输一个数据库连接的句柄，会提供很多帮助。
  • 最后借用 《Effective Java》一书中的话，

  • 单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

或者使用

代码语言：javascript复制
public enum DataSourceEnum {
    DATASOURCE;
    private DBConnection connection = null;
    private DataSourceEnum() {
        connection = new DBConnection();
    }
    public DBConnection getConnection() {
        return connection;
    }
}

示例：

代码语言：javascript复制
/**
 * @Title: java单例之enum实现方式
 * @ClassName: EnumSingleton.java
 * @Description:
 *
 * @Copyright 2016-2018 - Powered By 研发中心
 * @author: 王延飞
 * @date:  2018-02-07 20:02
 * @version V1.0
 */
public class EnumSingleton{
    private EnumSingleton(){}
    public static EnumSingleton getInstance(){
        return Singleton.INSTANCE.getInstance();
    }
    private static enum Singleton{
        INSTANCE;
        private EnumSingleton singleton;
        //JVM会保证此方法绝对只调用一次
        private Singleton(){
            singleton = new EnumSingleton();
        }
        public EnumSingleton getInstance(){
            return singleton;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        EnumSingleton obj1 = EnumSingleton.getInstance();
        EnumSingleton obj2 = EnumSingleton.getInstance();
        //输出结果：obj1==obj2?true
        System.out.println("obj1==obj2?"   (obj1==obj2));
    }
}
  • 上面提到的四种实现单例的方式都有共同的缺点：
    • 1）需要额外的工作来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例。
    • 2）可以使用反射强行调用私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

而枚举类很好的解决了这两个问题，使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。

6、单例模式的线程安全性

首先要说的是单例模式的线程安全意味着：某个类的实例在多线程环境下只会被创建一次出来。单例模式有很多种的写法，我总结一下：

（1）饿汉式：线程安全 （2）懒汉式：非线程安全 （3）双检锁：线程安全 （4）静态内部类：线程安全 （5）枚举：线程安全

如何选择

如果我们在程序启动后，一定会加载到类，那么用饿汉模式实现的单例简单又实用； 如果我们是写一些工具类，则优先考虑使用懒汉模式，因为很多项目可能会引用到 jar 包，但未必会使用到这个工具类，懒汉模式实现的单例可以避免提前被加载到内存中，占用系统资源。

参考来源： http://www.importnew.com/12773.html

发布者：全栈程序员栈长，转载请注明出处：https://javaforall.cn/160055.html原文链接：https://javaforall.cn

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