設計模式筆記-單例(Singleton)

簡介

• 分類：創建型
• 來源：Gang Of Four
• 意圖：保證類只有一個實例，並提供全局的訪問入口

單例

• 單例模式限制了類的實例化（私有構造器），保證虛擬機中一個類（一份字節碼，一個類文件可以被不同類加載器多次加載，不屬於同一份字節碼，例如tomcat中部署多個相同的應用）只有一個實例。
• 單例實現類必須提供一個獲取實例對象的全局訪問入口

單例實現

多種實現單例的方式，但都具備以下概念。

• 通過私有構造器限制類的初始化
• 通過私有靜態變量保證只有一個實例
• 通過公有靜態方法提供實例的全局訪問接口

1. 餓漢模式
2. 餓漢模式-靜態塊
3. 懶漢模式-非線程安全
4. 懶漢模式-線程安全
5. 雙檢查鎖模式-DCL

餓漢模式

package design.structural.singleton;

/**
 * 餓漢模式
 * 優點：
 *   實現簡單
 * 缺點：
 *   不能延時加載，即使單例不會被用到頁會被初始化
 *   不能進行異常處理
 *
 * @author faith.huan 2019-12-02 22:11
 */
public class EagerSingleton {
    /**
     * 立即加載方式 = 餓漢模式
     */
    private static EagerSingleton singleton = new EagerSingleton();

    /**
     * 通過私有構造器，限制類的實例化
     */
    private EagerSingleton(){}

    /**
     * 通過公有靜態方法，提供全局訪問入口
     */
    public static EagerSingleton getInstance(){
        return singleton;
    }

}

餓漢模式-靜態塊

針對餓漢模式無法處理異常缺陷的優化版本，採用靜態塊初始化實例

package design.structural.singleton;

/**
 * 餓漢模式-靜態塊
 * 優點：
 *   實現簡單
 * 缺點：
 *   不能延時加載，即使單例不會被用到頁會被初始化
 *
 * @author faith.huan 2019-12-02 22:11
 */
public class EagerStaticBlockSingleton {
    /**
     * 立即加載方式 = 餓漢模式
     */
    private static EagerStaticBlockSingleton singleton ;

    static {
        try {
            singleton = new EagerStaticBlockSingleton();
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 通過私有構造器，限制類的實例化
     */
    private EagerStaticBlockSingleton(){}

    /**
     * 通過公有靜態方法，提供全局訪問入口
     */
    public static EagerStaticBlockSingleton getInstance(){
        return singleton;
    }

}

懶漢模式-非線程安全

package design.structural.singleton;

/**
 * 懶漢模式-非線程安全
 * 優點
 *   延時初始化
 * 缺點
 *   線程不安全
 *
 * @author faith.huan 2019-12-02 22:33
 */
public class LazyThreadNotSafeSingleton {

    /**
     * 延時加載方式 = 懶漢模式
     */
    private static LazyThreadNotSafeSingleton singleton;

    /**
     * 通過私有構造器，限制類的實例化
     */
    private LazyThreadNotSafeSingleton(){}

    /**
     * 通過公有靜態方法，提供全局訪問入口
     */
    public static LazyThreadNotSafeSingleton getInstance(){
        if(singleton==null){
            singleton = new LazyThreadNotSafeSingleton();
        }
        return singleton;
    }
}

懶漢模式-線程安全

解決線程安全最簡單的方式就是在靜態方法上加synchronized關鍵字

package design.structural.singleton;

/**
 * 懶漢模式-線程安全
 * 優點
 *   延時初始化
 * 缺點
 *   用於每次獲取對象都需要加鎖，性能較差
 *
 * @author faith.huan 2019-12-02 22:33
 */
public class LazyThreadSafeSingleton {

    /**
     * 延時加載方式 = 懶漢模式
     */
    private static LazyThreadSafeSingleton singleton;

    /**
     * 通過私有構造器，限制類的實例化
     */
    private LazyThreadSafeSingleton(){}

    /**
     * 通過公有靜態方法，提供全局訪問入口
     */
    public static synchronized LazyThreadSafeSingleton getInstance(){
        if(singleton==null){
            singleton = new LazyThreadSafeSingleton();
        }
        return singleton;
    }
}

雙檢查鎖模式-DCL

針對懶漢模式-線程安全版本使用方法級的synchronize關鍵字來實現線程安全帶來的性能問題，採用Double Check Lock(DCL)方式來優化。

package design.structural.singleton;

/**
 * 雙檢查鎖模式-DCL
 * 優點
 *   延時初始化，線程安全
 * 缺點
 *   JDK1.5及以後版本
 *
 * @author faith.huan 2019-12-02 22:33
 */
public class DoubleCheckLockSingleton {

    /**
     * 延時加載方式 = 懶漢模式
     */
    private static volatile DoubleCheckLockSingleton singleton;

    /**
     * 通過私有構造器，限制類的實例化
     */
    private DoubleCheckLockSingleton() {
    }

    /**
     * 通過公有靜態方法，提供全局訪問入口
     */
    public static DoubleCheckLockSingleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (DoubleCheckLockSingleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new DoubleCheckLockSingleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

要點：

• 靜態變量singleton需使用volatile關鍵字修飾
  代碼singleton = new DoubleCheckLockSingleton();會分解爲以下三行僞代碼
  1.memory = allocate(); // 1. 分配對象內存空間
  2.initInstance(memory); // 2. 初始化對象
  3.singleton =memory; // 3.設置singleton變量指向剛分配的內存地址
  在不加volatile修飾時，上面僞代碼中2、3步可能會發生重排序，也就是先指向內存地址（此時singleton==null已爲false），再初始化對象。
  多線程時序表

時間	線程A	線程B
T1	A1: 分配對象內存空間
T2	A3: 設置singleton指向剛分配的內存地址
T3		B1:判斷 singleton是否爲null
T4		B2: 由於singleton不爲null 線程B將訪問singleton對象
T5	A2:初始化對象

• 此方案需要JDK1.5或更高版本
  從JDK1.5開始使用新的JSR-133內存模型規範，此規範增強了volatile的語義，此處使用的是禁止指令重排

靜態內部類

package design.structural.singleton;

/**
 * 靜態內部類
 * 比爾.普格
 *
 * @author faith.huan 2019-12-03 22:16
 */
public class BillPughSingleton {

    /**
     * 通過私有構造器，限制類的實例化
     */
    private BillPughSingleton() {
    }

    /**
     * 通過靜態內部類實現單例
     * 只有當getInstance方法調用時，SingletonHolder纔會被加載
     */
    private static class SingletonHolder {
        private static final BillPughSingleton SINGLETON = new BillPughSingleton();
    }

    /**
     * 通過公有靜態方法，提供全局訪問入口
     */
    public static BillPughSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.SINGLETON;
    }
}

枚舉

package design.structural.singleton;

/**
 * 枚舉模式
 *
 * @author faith.huan 2019-12-03 22:26
 */
public enum EnumSingleton {
    /**
     * 單例對象
     */
    SINGLETON;
}