單例模式

單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單的設計模式之一。這種類型的設計模式屬於創建型模式，它提供了一種創建對象的最佳方式。

這種模式涉及到一個單一的類，該類負責創建自己的對象，同時確保只有單個對象被創建。這個類提供了一種訪問其唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實例化該類的對象。

注意：

• 1、單例類只能有一個實例。
• 2、單例類必須自己創建自己的唯一實例。
• 3、單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

介紹

意圖：保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點。

主要解決：一個全局使用的類頻繁地創建與銷燬。

何時使用：當您想控制實例數目，節省系統資源的時候。

如何解決：判斷系統是否已經有這個單例，如果有則返回，如果沒有則創建。

關鍵代碼：構造函數是私有的。

應用實例：

• 1、一個班級只有一個班主任。
• 2、Windows 是多進程多線程的，在操作一個文件的時候，就不可避免地出現多個進程或線程同時操作一個文件的現象，所以所有文件的處理必須通過唯一的實例來進行。
• 3、一些設備管理器常常設計爲單例模式，比如一個電腦有兩臺打印機，在輸出的時候就要處理不能兩臺打印機打印同一個文件。

優點：

• 1、在內存裏只有一個實例，減少了內存的開銷，尤其是頻繁的創建和銷燬實例（比如管理學院首頁頁面緩存）。
• 2、避免對資源的多重佔用（比如寫文件操作）。

缺點：沒有接口，不能繼承，與單一職責原則衝突，一個類應該只關心內部邏輯，而不關心外面怎麼樣來實例化。

使用場景：

• 1、要求生產唯一序列號。
• 2、WEB 中的計數器，不用每次刷新都在數據庫里加一次，用單例先緩存起來。
• 3、創建的一個對象需要消耗的資源過多，比如 I/O 與數據庫的連接等。

注意事項：getInstance() 方法中需要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class) 防止多線程同時進入造成 instance 被多次實例化。

實現

我們將創建一個 SingleObject 類。SingleObject 類有它的私有構造函數和本身的一個靜態實例。

SingleObject 類提供了一個靜態方法，供外界獲取它的靜態實例。SingletonPatternDemo，我們的演示類使用 SingleObject 類來獲取 SingleObject 對象。

創建一個 Singleton 類。

SingleObject.java

public class SingleObject {

//創建 SingleObject 的一個對象
private static SingleObject instance = new SingleObject();

//讓構造函數爲 private，這樣該類就不會被實例化
private SingleObject(){}

//獲取唯一可用的對象
public static SingleObject getInstance(){
return instance;
}

public void showMessage(){
System.out.println("Hello World!");
}
}

步驟 2

從 singleton 類獲取唯一的對象。

SingletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo {
public static void main(String[] args) {

//不合法的構造函數
//編譯時錯誤：構造函數 SingleObject() 是不可見的
//SingleObject object = new SingleObject();

//獲取唯一可用的對象
SingleObject object = SingleObject.getInstance();

//顯示消息
object.showMessage();
}
}

步驟 3

執行程序，輸出結果：

Hello World!

單例模式的幾種實現方式

單例模式的實現有多種方式，如下所示：

1、懶漢式，線程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：否

實現難度：易

描述：這種方式是最基本的實現方式，這種實現最大的問題就是不支持多線程。因爲沒有加鎖 synchronized，所以嚴格意義上它並不算單例模式。
這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工作。

實例

public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}

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

接下來介紹的幾種實現方式都支持多線程，但是在性能上有所差異。

2、懶漢式，線程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實現難度：易

描述：這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。
優點：第一次調用才初始化，避免內存浪費。
缺點：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。
getInstance() 的性能對應用程序不是很關鍵（該方法使用不太頻繁）。

實例

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

3、餓漢式

是否 Lazy 初始化：否

是否多線程安全：是

實現難度：易

描述：這種方式比較常用，但容易產生垃圾對象。
優點：沒有加鎖，執行效率會提高。
缺點：類加載時就初始化，浪費內存。
它基於 classloader 機制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時就實例化，雖然導致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數都是調用 getInstance 方法， 但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態方法）導致類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達到 lazy loading 的效果。

實例

public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}

4、雙檢鎖/雙重校驗鎖（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實現難度：較複雜

描述：這種方式採用雙鎖機制，安全且在多線程情況下能保持高性能。
getInstance() 的性能對應用程序很關鍵。

實例

public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}

5、登記式/靜態內部類

是否 Lazy 初始化：是

是否多線程安全：是

實現難度：一般

描述：這種方式能達到雙檢鎖方式一樣的功效，但實現更簡單。對靜態域使用延遲初始化，應使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用於靜態域的情況，雙檢鎖方式可在實例域需要延遲初始化時使用。
這種方式同樣利用了 classloader 機制來保證初始化 instance 時只有一個線程，它跟第 3 種方式不同的是：第 3 種方式只要 Singleton 類被裝載了，那麼 instance 就會被實例化（沒有達到 lazy loading 效果），而這種方式是 Singleton 類被裝載了，instance 不一定被初始化。因爲 SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有通過顯式調用 getInstance 方法時，纔會顯式裝載 SingletonHolder 類，從而實例化 instance。想象一下，如果實例化 instance 很消耗資源，所以想讓它延遲加載，另外一方面，又不希望在 Singleton 類加載時就實例化，因爲不能確保 Singleton 類還可能在其他的地方被主動使用從而被加載，那麼這個時候實例化 instance 顯然是不合適的。這個時候，這種方式相比第 3 種方式就顯得很合理。

實例

public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

6、枚舉

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多線程安全：是

實現難度：易

描述：這種實現方式還沒有被廣泛採用，但這是實現單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支持序列化機制，絕對防止多次實例化。
這種方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多線程同步問題，而且還自動支持序列化機制，防止反序列化重新創建新的對象，絕對防止多次實例化。不過，由於 JDK1.5 之後才加入 enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實際工作中，也很少用。
不能通過 reflection attack 來調用私有構造方法。

實例

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

經驗之談：一般情況下，不建議使用第 1 種和第 2 種懶漢方式，建議使用第 3 種餓漢方式。只有在要明確實現 lazy loading 效果時，纔會使用第 5 種登記方式。如果涉及到反序列化創建對象時，可以嘗試使用第 6 種枚舉方式。如果有其他特殊的需求，可以考慮使用第 4 種雙檢鎖方式。