【设计模式】使用Java实现单例模式的八种方式！

理想

2022-8-28

Java 编程代码

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

概念

这种模式仅涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

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)。

注意

单例类只能有一个实例。
单例类必须自己创建自己的唯一实例。
单例类必须提供一个取得其对象实例的方法。

特征

目的：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

优缺点

优点：

1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例。
2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景

1、要求生产唯一序列号。

2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。

3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

实现

饿汉式（静态常量)

饿汉式（静态常量）应用实例步骤如下:

构造器私有化
类的内部创建对象
向外暴露一个静态的公共方法。

代码实现

/**
 * @Classname Singleton
 * @Description 饿汉式（静态常量）
 * @Date 2022/8/28 18:27
 * @Created by YJS
 * @WebSite www.imyjs.cn
 */
public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton1 instance = Singleton1.getInstance();
        Singleton1 instance2 = Singleton1.getInstance();
        System.out.println(instance2 == instance); // true
        System.out.println(instance2.hashCode());  // 460141958
        System.out.println(instance.hashCode());   // 460141958
    }
}

class Singleton1{
    // 第一步:私有化构造器
    private Singleton1(){}
    // 第二步:创建实例对象
    private final static Singleton1 instance = new Singleton1();
    // 第三步:提供获取实例对象的静态方法
    public static Singleton1 getInstance(){
        return instance;
    }
}

这种方式基于类加载机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法，但是导致类装载的原因有很多种，因此不能确定有其他的方式(或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化instance就没有达到 lazy loading 的效果。

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

结论：这种单例模式可用，但可能造成内存浪费。

饿汉式（静态代码块)

/**
 * @Classname Singleton
 * @Description 饿汉式（静态代码块)
 * @Date 2022/8/28 18:36
 * @Created by YJS
 * @WebSite www.imyjs.cn
 */
public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton1 instance = Singleton1.getInstance();
        Singleton1 instance2 = Singleton1.getInstance();
        System.out.println(instance2 == instance); // true
        System.out.println(instance2.hashCode());  // 460141958
        System.out.println(instance.hashCode());   // 460141958
    }
}

class Singleton1 {
    private static Singleton1 instance = null;
    // 第一步:私有化构造器
    private Singleton1(){}
    // 第二步:创建实例对象
    static {
        instance = new Singleton1();
    }
    // 第三步:提供获取实例对象的静态方法
    public static Singleton1 getInstance(){
        return instance;
    }
}

这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费。

懒汉式（线程不安全）

/**
 * @Classname Singleton
 * @Description 懒汉式（线程不安全）
 * @Date 2022/8/28 18:42
 * @Created by YJS
 * @WebSite www.imyjs.cn
 */
public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton1 instance = Singleton1.getInstance();
        Singleton1 instance2 = Singleton1.getInstance();
        System.out.println(instance2 == instance); // true
        System.out.println(instance2.hashCode());  // 460141958
        System.out.println(instance.hashCode());   // 460141958
    }
}

class Singleton1{
    // 第一步:私有化构造器
    private Singleton1(){}
    // 第二步:创建实例对象变量,此时并不去初始化
    private static Singleton1 instance;
    // 第三步:提供获取实例对象的静态方法
    public static Singleton1 getInstance(){
        // 用到时,首先判断当前实例对象是否存在,若不存在则进行初始化
        if (instance == null){
            instance = new Singleton1();
        }
        // 否则直接返回已有的实例对象
        return instance;
    }
}

优缺点说明: 起到了Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

结论：在实际开发中，不要使用这种方式。

懒汉式（同步方法保证线程安全）

/**
 * @Classname Singleton
 * @Description 懒汉式（同步方法保证线程安全）
 * @Date 2022/8/28 18:50
 * @Created by YJS
 * @WebSite www.imyjs.cn
 */
public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton1 instance = Singleton1.getInstance();
        Singleton1 instance2 = Singleton1.getInstance();
        System.out.println(instance2 == instance); // true
        System.out.println(instance2.hashCode());  // 460141958
        System.out.println(instance.hashCode());   // 460141958
    }
}

class Singleton1{
    // 第一步:私有化构造器
    private Singleton1(){}
    // 第二步:创建实例对象变量,此时并不去初始化
    private static Singleton1 instance;
    // 第三步:提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题
    public static synchronized Singleton1 getInstance(){
        // 用到时,首先判断当前实例对象是否存在,若不存在则进行初始化
        if (instance == null){
            instance = new Singleton1();
        }
        // 否则直接返回已有的实例对象
        return instance;
    }
}

优缺点说明: 解决了线程安全问题但是效率太低，每个线程在想获得类的实例时候，执行getlnstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return 就行了。

结论:在实际开发中，不推荐使用这种方式

懒汉式（同步代码块保证线程安全）

/**
 * @Classname Singleton
 * @Description 懒汉式（同步代码块保证线程安全）
 * @Date 2022/8/28 18:55
 * @Created by YJS
 * @WebSite www.imyjs.cn
 */
public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton1 instance = Singleton1.getInstance();
        Singleton1 instance2 = Singleton1.getInstance();
        System.out.println(instance2 == instance); // true
        System.out.println(instance2.hashCode());  // 460141958
        System.out.println(instance.hashCode());   // 460141958
    }
}

class Singleton1 {
    // 第一步:私有化构造器
    private Singleton1(){}
    // 第二步:创建实例对象变量,此时并不去初始化
    private static Singleton1 instance;
    // 第三步:提供一个静态的公有方法获取实例对象
    public static Singleton1 getInstance(){
        // 用到时,首先判断当前实例对象是否存在,若不存在则进行初始化
        if (instance == null){
            // 加入同步处理的代码块，解决线程安全问题
            synchronized (Singleton1.class){
                instance = new Singleton1();
            }
        }
        // 否则直接返回已有的实例对象
        return instance;
    }
}

与使用同步方法类似，不推荐使用！

双重检查

/**
 * @Classname Singleton
 * @Description 双重检查
 * @Date 2022/8/28 19:05
 * @Created by YJS
 * @WebSite www.imyjs.cn
 */
public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton1 instance = Singleton1.getInstance();
        Singleton1 instance2 = Singleton1.getInstance();
        System.out.println(instance2 == instance); // true
        System.out.println(instance2.hashCode());  // 460141958
        System.out.println(instance.hashCode());   // 460141958
    }
}

class Singleton1 {
    // 第一步:私有化构造器
    private Singleton1(){}
    // 第二步:创建实例对象变量,此时并不去初始化
    private static volatile Singleton1 instance;
    // 第三步:提供一个静态的公有方法获取实例对象
    public static Singleton1 getInstance(){
        // 用到时,第一次判断当前实例对象是否存在,若不存在则进行初始化
        if (instance == null){
            // 加入同步处理的代码块，解决线程安全问题
            synchronized (Singleton1.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton1();
                }
            }
        }
        // 第一次判断不为空则直接返回对象实例
        return instance;
    }
}

为什么要使用 volatile?

为了解决多线程环境下重排序带来的问题。

创建对象会经过三个步骤（不是原子性）：

创建空的对象（分配内存）
调用构造方法（对象初始化）
将构造好的实例地址赋值给引用

模拟下出问题的流程（假设不加volatile关键字）：

当线程1 判断 INSTANCE 为空，进入同步逻辑，继续检查为空，则创建对象
如果此时发生指令重排序，执行 1->3->2 步骤，先创建了空对象，然后赋值给引用，此时还没来得及调用构造方法
其他线程此时判断 INSTANCE 不为 null，则直接返回 INSTANCE，但是此时对象并没有初始化完毕，就被其他线程使用，可能导致空指针异常

synchronized不能禁止重排序吗？

synchronized采用加锁机制保证程序的有序性，被加锁的代码块多个线程只能串性执行，但是其内部是可以发生指令重排序的，因为指令重排序对单线程是不影响的。

优缺点说明：Double-Check概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断 if (singleton == null)，直接return 实例化对象，也避免的反复进行方法同步。

结论：线程安全；延迟加载；效率较高；在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式。

静态内部类

/**
 * @Classname Singleton
 * @Description 静态内部类
 * @Date 2022/8/28 19:11
 * @Created by YJS
 * @WebSite www.imyjs.cn
 */
public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton1 instance = Singleton1.getInstance();
        Singleton1 instance2 = Singleton1.getInstance();
        System.out.println(instance2 == instance); // true
        System.out.println(instance2.hashCode());  // 460141958
        System.out.println(instance.hashCode());   // 460141958
    }
}

class Singleton1 {
    // 第一步:私有化构造器
    private Singleton1(){}
    // 第二步: 定义静态内部类并同时提供实例对象
    private static class SingletonInstance{
        private final static Singleton1 INSTANCE = new Singleton1();
    }
    // 第三步: 提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE
    public static Singleton1 getInstance(){
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。

优缺点说明：静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。

优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高

结论：推荐使用。

枚举类

/**
 * @Classname Singleton
 * @Description 枚举类
 * @Date 2022/8/28 19:17
 * @Created by YJS
 * @WebSite www.imyjs.cn
 */
public class Singleton {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton1 instance = Singleton1.INSTANCE;
        Singleton1 instance2 = Singleton1.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance2);  // true
        System.out.println(instance.hashCode());  // 460141958
        System.out.println(instance2.hashCode());  // 460141958
        instance.method();  // hello
        instance2.method();  // hello
    }
}

enum Singleton1{
    INSTANCE;  // 属性
    public void method(){
        System.out.println("hello");
    }
}

优缺点说明: 这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。

这种方式是《Effective Java》作者提倡的方式，其认为：使用枚举实现单例的方法虽然还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。写法最为简单

线程安全有保障：反编译后可以发现跟懒汉式的写法没什么区别

避免反序列化破坏单例： 对于上述七种写法，单例会被序列化和反序列化机制打破

结论：推荐使用

枚举属于饿汉式还是属于懒汉式？

它是属于 饿汉式 的。枚举类会被编译成final class，同时继承枚举父类。它的各个实例都是通过static定义的，在static代码块中完成初始化操作（这么看来，其实就跟我们饿汉式的实现是完全没区别的）。

总结

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。
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。
单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即:重量级对象)，但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session 工厂等)

微信关注

编程那点事儿

阅读剩余

作者：理想

链接：https://www.imyjs.cn/archives/1109

文章版权归作者所有，未经允许请勿转载。

THE END

【Redis 面试】Java面试八股必背系列之Redis（下篇）

<<上一篇

Redis常用基本命令总结（查询版）

下一篇>>