单例模式
作用:确保一个类只有一个实例,并提供该实例的全局访问点
结构:使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。
私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例,只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。
实现:
(一)懒汉式(线程不安全)
以下实现中,私有静态变量 uniqueInstance 被延迟化实例化,这样做的好处是,如果没有用到该类,那么就不会实例化 uniqueInstance,从而节约资源。
这个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 (uniqueInstance == null)
,并且此时 uniqueInstance 为 null,那么多个线程会执行 uniqueInstance = new Singleton();
语句,这将导致多次实例化 uniqueInstance。
//单例模式 懒汉式(线程不安全) public class Singleton1 { private static Singleton1 uniqueInstance; private Singleton1(){} public static Singleton1 getUniqueInstance(){ if(uniqueInstance==null){ uniqueInstance=new Singleton1(); } return uniqueInstance; } }
测试:
public class Test { @org.junit.Test public void test1() { Singleton1 singleton1=Singleton1.getUniqueInstance(); Singleton1 singleton2=Singleton1.getUniqueInstance(); System.out.println(singleton1); System.out.println(singleton2); } }
结果:
cn.edu.ccit.singleton.Singleton1@514713 cn.edu.ccit.singleton.Singleton1@514713
(二)懒汉式(线程安全)
只需要对 getUniqueInstance() 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,从而避免了对 uniqueInstance 进行多次实例化的问题。
但是这样有一个问题,就是当一个线程进入该方法之后,其它线程试图进入该方法都必须等待,因此性能上有一定的损耗。
//单例模式 懒汉式(线程安全) public class Singleton2 { private static Singleton2 uniqueInstance; private Singleton2(){} public static synchronized Singleton2 getUniqueInstance(){ if(uniqueInstance==null){ uniqueInstance=new Singleton2(); } return uniqueInstance; } }
测试:
public class Test { @org.junit.Test public void test2() { Singleton2 singleton1=Singleton2.getUniqueInstance(); Singleton2 singleton2=Singleton2.getUniqueInstance(); System.out.println(singleton1); System.out.println(singleton2); } }
结果:
cn.edu.ccit.singleton.Singleton2@514713 cn.edu.ccit.singleton.Singleton2@514713
(三)饿汉式(线程安全)
线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化了多次,如果 uniqueInstance 采用直接实例化的话,就不会被实例化多次,也就不会产生线程不安全问题。但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的优势。
//单例模式 饿汉式(线程安全) public class Singleton3 { private static Singleton3 uniqueInstance=new Singleton3(); private Singleton3(){} public static Singleton3 getUniqueInstance(){ return uniqueInstance; } }
测试:
public class Test { @org.junit.Test public void test3() { Singleton3 singleton1=Singleton3.getUniqueInstance(); Singleton3 singleton2=Singleton3.getUniqueInstance(); System.out.println(singleton1); System.out.println(singleton2); } }
结果:
cn.edu.ccit.singleton.Singleton3@514713 cn.edu.ccit.singleton.Singleton3@514713
(四)双重校验锁(线程安全)
uniqueInstance 只需要被实例化一次,之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行。也就是说,只有当 uniqueInstance 没有被实例化时,才需要进行加锁。
双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化,如果没有被实例化,那么才对实例化语句进行加锁。
//单例模式 双重校验锁(线程安全) public class Singleton4 { private volatile static Singleton4 uniqueInstance; private Singleton4(){} public static Singleton4 getUniqueInstance(){ if(uniqueInstance==null){ synchronized (Singleton4.class) { if(uniqueInstance==null){ uniqueInstance=new Singleton4(); } } } return uniqueInstance; } }
测试:
public class Test { @org.junit.Test public void test4() { Singleton4 singleton1=Singleton4.getUniqueInstance(); Singleton4 singleton2=Singleton4.getUniqueInstance(); System.out.println(singleton1); System.out.println(singleton2); } }
结果:
cn.edu.ccit.singleton.Singleton4@514713 cn.edu.ccit.singleton.Singleton4@514713
考虑下面的实现,也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下,如果两个线程同时执行 if 语句,那么两个线程就会同时进入 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 uniqueInstance = new Singleton();
这条语句,只是先后的问题,也就是说会进行两次实例化,从而产生了两个实例。因此必须使用双重校验锁,也就是需要使用两个 if 语句。
if(uniqueInstance==null){ synchronized (Singleton4.class) { uniqueInstance=new Singleton4(); } }
uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的。uniqueInstance = new Singleton();
这段代码其实是分为三步执行。
分配内存空间
初始化对象
将 uniqueInstance 指向分配的内存地址
但是由于 JVM 具有指令重排的特性,有可能执行顺序变为了 1>3>2,这在单线程情况下自然是没有问题。但如果是多线程下,有可能获得是一个还没有被初始化的实例,以致于程序出错。
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。
(五)静态内部类实现(线程安全)
当 Singleton 类加载时,静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance()
方法从而触发SingletonHolder.INSTANCE
时 SingletonHolder 才会被加载,此时初始化 INSTANCE 实例。
这种方式不仅具有延迟初始化的好处,而且由虚拟机提供了对线程安全的支持。
//单例模式 静态内部类实现(线程安全) public class Singleton5 { private Singleton5(){} private static class Singleton5Holder{ private static final Singleton5 INSTANCE=new Singleton5(); } public static Singleton5 getUniqueInstance(){ return Singleton5Holder.INSTANCE; } }
测试:
public class Test { @org.junit.Test public void test5() { Singleton5 singleton1=Singleton5.getUniqueInstance(); Singleton5 singleton2=Singleton5.getUniqueInstance(); System.out.println(singleton1); System.out.println(singleton2); } }
结果:
cn.edu.ccit.singleton.Singleton5@514713 cn.edu.ccit.singleton.Singleton5@514713
(六)枚举实现(线程安全)
这是单例模式的最佳实践,它实现简单,并且在面对复杂的序列化或者反射×××的时候,能够防止实例化多次。
//单例模式 枚举实现(线程安全) public enum Singleton6 { Singleton; private Object uniqueInstance=null; private Singleton6(){ uniqueInstance=new Object(); } public Object getUniqueInstance(){ return uniqueInstance; } }
测试:
public class Test { @org.junit.Test public void test6() { Object singleton1=Singleton6.Singleton.getUniqueInstance(); Object singleton2=Singleton6.Singleton.getUniqueInstance(); System.out.println(singleton1); System.out.println(singleton2); } }
结果:
java.lang.Object@514713 java.lang.Object@514713
将Object换成我们需要实现单例模式的类型即可。
如果不使用枚举来实现单例模式,会出现反射×××,因为通过 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×××,需要在构造函数中添加防止实例化第二个对象的代码。
从上面的讨论可以看出,解决序列化和反射×××很麻烦,而枚举实现不会出现这两种问题,所以说枚举实现单例模式是最佳实践。