设计模式-单例模式（一）-创新互联

单例模式

• 一 官方定义
• 二 单例模式八种方式
• • 2.1 饿汉式（静态常量）
  • • 代码案例
    • 案例分析
  • 2.2 饿汉式（静态代码块）
  • • 代码案例
    • 案例分析
  • 2.3 懒汉式(线程不安全)
  • • 代码案例
    • 案例分析
  • 2.4 懒汉式(线程安全，同步方法)
  • • 代码案例
    • 案例分析
  • 2.5 懒汉式(线程不安全，同步代码块)
  • • 代码案例
    • 案例分析
  • 2.6 双重检查 (推荐使用)
  • • 代码案例
    • 案例分析
    • • 优点
      • 可能出现的问题
      • 扩展 - Volatile
  • 2.7 静态内部类 （推荐使用）
  • • 代码案例
    • 案例分析
  • 2.8 枚举方式
  • • 代码案例
    • 案例分析
  • 三 注意事项
  • 四 单例模式的使用场景

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所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)

Spring 中的 bean 默认都是单例模式，每个bean定义只生成一个对象实例，每次 getBean请求获得的都是此实例

二 单例模式八种方式

单例模式的八种实现方式，如下所示

• 饿汉式(静态常量)
• 饿汉式（静态代码块）
• 懒汉式(线程不安全)
• 懒汉式(线程安全，同步方法)
• 懒汉式(线程安全，同步代码块)
• 双重检查
• 静态内部类
• 枚举方式

2.1 饿汉式（静态常量） 代码案例

class Singleton {//一：构造器的私有化    防止外部用构造器...
    private Singleton() {}

    //二：类的内部创建对象    final static
    private static final Singleton singleton = new Singleton();

    //三：对外提供公共的静态方法    返回该类唯一的对象实例
    public static Singleton getInstance() {return singleton;
    }
}

案例分析

//案例演示 - 饿汉式
public class SingletonDemo {public static void main(String[] args) {//      方式一：静态常量
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance1); //true
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance1.hashCode());
}

通过结果可以发现返回的是同一个对象所以单例模式是实现的。

写法分析
优势： 简单 避免多线程的同步问题
劣势： 没有达到懒加载的效果 内存的浪费

2.2 饿汉式（静态代码块） 代码案例

//方式二：静态代码块的方式
class Singleton {//构造器私有化
    private Singleton() {}

    //类的内部创建对象
    private static final Singleton singleton;

    static {singleton = new Singleton();
    }

    //对外提供公共的静态的方法
    public static Singleton getInstance() {return singleton;
    }
}

案例分析

优势： 简单 避免多线程的同步问题
劣势： 没有达到懒加载的效果 内存的浪费

2.3 懒汉式(线程不安全) 代码案例

class Singleton{//构造器私有化
    private Singleton(){}

    //类的内部提供对象
    private static Singleton singleton;

    //对外提供公共的静态方法的时候，来判断
    public static Singleton getInstance(){if (singleton == null){singleton = new Singleton();
        }

        return singleton;
    }

}

案例分析

优势：起到了懒加载的效果 不会造成内存浪费

在使用到的时候才会创建对象。判断有无对象，有则返回，无创建后再返回

劣势：只能在单线程下使用，多线程情况下线程不安全 不推荐这种方式的

① 在多线程的情况下，有一个对象进入if判断通过，还没执行到创建对象这一步骤时
② 有另外一个对象也进入了if判断，也通过了。
此时就会出现多个实例，造成线程不安全。

2.4 懒汉式(线程安全，同步方法)

在获取对象的静态方法上添加 synchronized 关键字，实现同步方法。解决线程不安全问题。

代码案例

//加入同步处理  同步方法
class Singleton{//构造器私有化
    private Singleton(){}

    //类的内部提供对象
    private static Singleton singleton;

    //对外提供公共的静态方法的时候，来判断
    public static synchronized Singleton getInstance(){if (singleton == null){singleton = new Singleton();
        }

        return singleton;
    }

}

案例分析

解决了线程安全问题，但是效率太低

每一个线程需求拿实例的时候都要在外面等候另一线程处理完

2.5 懒汉式(线程不安全，同步代码块)

将实例化对象过程放入同步代码块中

代码案例

//加入同步处理 - 同步代码块的方式  不推荐的
class Singleton{//构造器私有化
    private Singleton(){}

    //类的内部提供对象
    private static Singleton singleton;

    //对外提供公共的静态方法的时候，来判断
    public static Singleton getInstance(){if (singleton == null){synchronized (Singleton.class){singleton = new Singleton();
            }

        }

        return singleton;
    }

}

案例分析

不推荐的，解决不了线程的安全问题

这种方式本意是想解决同步方法的问题。但是我们分析一下。在多线程情况下还是有可能创建多个实例的问题。

2.6 双重检查 (推荐使用) 代码案例

class Singleton{private Singleton(){}
    //禁止指令重排
    private static volatile Singleton singleton;
    //加入双重检查机制
    public static Singleton getInstance(){if (singleton == null){synchronized (Singleton.class){if (singleton == null){singleton = new Singleton();
                }
            }
        }

        return singleton;
    }
}

案例分析 优点

线程安全

解决了线程安全问题
① 多线程时，若两个线程同时满足第一层非空判断，等待调用同步代码块。
② 由于添加了synchronized ，当第一个线程进来时，发现Singleton对象为空，进行创建对象并返回。
③ 当另外一个线程调用同步代码块时，进行再次对象非空判断，发现对象已经创建成功。不在执行创建对象流程，返回已有对象

懒加载

使用到对象时才创建，不会造成内存的浪费

效率很高

先进性了singleton 是否为空的判断，singleton 如果不为空直接返回结果。倘若无第一层判空，多线程时每次都要进行synchronized 等待其他线程处理结束，才能进入内部非空判断，效率相对低。

可能出现的问题

我们认为的 new Singleton() 操作

1）分配内存地址 M
2）在内存 M 上初始化Singleton 对象
3）将M的地址赋值给 instance 对象

JVM编译优化后（指令重排）可能的 new Singleton() 操作

1）分配内存地址 M
2）将M的地址赋值给instance变量
3）在内存M上初始化 Singleton 对象

这就有可能出现空指针异常
异常发生过程

解决方式：关键字 Volatile 来禁止指令重排

扩展 - Volatile

轻量级的同步机制 （低配版） 没有保证原子性
三大特性
保证可见性
其中一个线程修改了主内存共享变量的值，要写回主内存，并要及时通知其他线程可见
没有保证原子性
没法（不能保证）不可分割，完整，要么同时成功，要么同时失败
禁止指令重排
和底层内存屏障相关 避免多线程下出现指令乱序的情况

扩展-线程切换

Java的一条语句对应的cpu指令可能是多条，其中任意一条cpu指令在执行完都可能发生线程切换
count += 1，对应cpu 指令如下：

1）将变量count从内存加载到cpu寄存器
2）寄存器中 +1
3）将结果写入内存（缓存机制写入的可能是cpu而不是内存）

2.7 静态内部类 （推荐使用） 代码案例

class Singleton{private Singleton(){}

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

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

案例分析

①当Singleton类加载时，静态内部类是不会加载的。
②只有调用getInstance方法用到了SingletonInstance.INSTANCE静态变量时导致SingletonInstance静态内部类进行加载。

不会出现线程安全问题
JVM来帮我们保证了线程的安全性
利用静态内部类的特点，效率也很高，实际开发中推荐使用的

2.8 枚举方式 代码案例

public class EnumDemo {public static void main(String[] args) {//验证其正确性
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance1); //true
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance1.hashCode());

    }
}

enum Singleton{INSTANCE; //属性
}

案例分析

不仅可以避免线程安全问题 还可以防止反序列化重新创建对象。推荐使用

三 注意事项

1. 单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能
2. 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用 new

四 单例模式的使用场景

• 对于一些需要频繁创建销毁的对象
• 重量级的对象（创建对象时耗时过多，或者耗费资源过多）
• 经常使用到的对象
• 工具类对象
• 数据源，session。。。。

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