设计模式(单例模式)

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单例模式

1、概念

定义:确保这个类只有一个实例,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。
注意:

1、单例类只能有一个实例

2、单例类必须自己创建字节的唯一实例

3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例

2、介绍

意图:保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问他的全局访问点

主要解决:一个全局使用的类频繁的创建和销毁

何时使用:当你想控制实例数目,节省系统资源的时候

如何解决:判断系统啥都已经有这个实例,如果有则返回,如果没有则创建

关键代码:构造函数私有化

优点:1.在内存中只有一个实例,减少了内存的开销。2.避免对资源的多重占用

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

3、实现

步骤 1 创建一个 Singleton 类。SingleObject.java

public class SingleObject {

   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();

   //让构造函数为 private,这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}

   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }

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

步骤 2 从 singleton 类获取唯一的对象。SingletonPatternDemo.java

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

      //不合法的构造函数
      //编译时错误:构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();

      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();

      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

步骤三 验证输出

Hello World!

4、单例模式的几种实现方式

1、懒汉式,线程不安全

懒汉式解释:懒汉式加载:只有到使用该对象的时候才来创建,意思饿了才来做饭吃。

是否 Lazy 初始化:是

是否多线程安全:否

实现难度:易

描述:这种方式是最基本的实现方式,这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized,所以严格意义上它并不算单例模式
代码示例

/** * 懒汉式加载 :时间换空间 */
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {
    /* * 这里存在线程安全问题 */
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}

在上面的代码中存在一个很明显的线程安全问题,当有多条线程来请求对象实例的时候,因为对象的创建是需要时间的,假设A线程进来判断singleton == null,就会进入对象的创建过程,这时如果同时在过来几条线程,那么他们都会得到一个对象实例,这个就是所谓的线程安全问题

2、懒汉式,线程安全

是否 Lazy 初始化:是

是否多线程安全:是

实现难度:易

描述:这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作,但是,效率很低,99% 情况下不需要同步。

优点:第一次调用才初始化,避免内存浪费。

缺点:必须加锁 synchronized 才能保证单例,但加锁会影响效率。
代码示例

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

3、饿汉式

是否 Lazy 初始化:否

是否多线程安全:是

实现难度:易

描述:这种方式比较常用,但容易产生垃圾对象。

优点:没有加锁,执行效率会提高。

缺点:类加载时就初始化,浪费内存。

它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题。
代码示例

/** * 饿汉模式 : 空间换时间 */
public class C03_Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    private static C03_Singleton singleton = new C03_Singleton();
    //构造方法私有化
    public C03_Singleton (){}
    private static C03_Singleton getInstance (){
        return singleton ;
    }
}

4、双检锁/双重校验锁

JDK 版本:JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化:是

是否多线程安全:是

实现难度:较复杂

描述:这种方式采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能
代码示例

public class C04_Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    // volatile可以确保当singleton被初始化后,多线程才可以正确处理
    // 被volatile修饰的变量的值,将不会被本地线程缓存
    // 对该变量读写都是直接操作共享内存,确保多个线程能正确的处理该变量。
    private static volatile C04_Singleton singleton = null ;
    //构造方法私有化
    public C04_Singleton (){}
    //获取唯一可用的对象
    private static C04_Singleton getInstance (){
        // 如果实例不存在,则进入同步区
        if (singleton == null){
            // 只有第一次才会彻底执行这里面的代码
            synchronized (C04_Singleton.class) {
                if (singleton == null){
                    singleton = new C04_Singleton() ;
                }
            }
        }
        return singleton ;
    }
}

5、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化:是

是否多线程安全:是

实现难度:一般

描述:这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单。对静态域使用延迟初始化,应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况,双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,它跟第 3 种方式不同的是:第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了,那么 instance 就会被实例化(没有达到 lazy loading 效果),而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有显示通过调用 getInstance 方法时,才会显示装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。想象一下,如果实例化 instance 很消耗资源,所以想让它延迟加载,另外一方面,又不希望在 Singleton 类加载时就实例化,因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候,这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。
代码示例

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

基础概念

1)、类级内部类
  简单点说,类级内部类指的是,有static修饰的成员式内部类。如果没有static修饰的成员式内部类被称为对象级内部类。
  类级内部类相当于其外部类的static成分,它的对象与外部类对象间不存在依赖关系,因此可直接创建。而对象级内部类的实例,是绑定在外部对象实例中的。
  类级内部类中,可以定义静态的方法。在静态方法中只能够引用外部类中的静态成员方法或者成员变量。
  类级内部类相当于其外部类的成员,只有在第一次被使用的时候才被会装载。

2)、多线程缺省同步锁
  在多线程开发中,为了解决并发问题,主要是通过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。但是在某些情况中,JVM已经隐含地执行了同步,这些情况下就不用自己再来进行同步控制了。这些情况包括:

1.由静态初始化器(在静态字段上或static{}块中的初始化器)初始化数据时
2.访问final字段时
3.在创建线程之前创建对象时
4.线程可以看见它将要处理的对象时

6、枚举

JDK 版本:JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化:否

是否多线程安全:是

实现难度:易

描述:这种实现方式还没有被广泛采用,但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁,自动支持序列化机制,绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式,它不仅能避免多线程同步问题,而且还自动支持序列化机制,防止反序列化重新创建新的对象,绝对防止多次实例化。不过,由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性,用这种方式写不免让人感觉生疏,在实际工作中,也很少用
代码示例

public class C06_Singleton {
    @Test
    public void test01 (){
        SingletonDemo INSTANCE1 = SingletonDemo.INSTANCE ;
        SingletonDemo INSTANCE2 = SingletonDemo.INSTANCE ;
        System.out.println(INSTANCE1 == INSTANCE2);
        INSTANCE1.info();
        INSTANCE2.info();
    }
}
enum SingletonDemo {
    INSTANCE ;
    public void info (){
        System.out.println("枚举方式实现单例");
    }
}

5、spring框架应用

1、创建测试类

public class UserBean {
}

2、spring配置文件

<!-- 单例Bean -->
<bean id="user" class="com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean" />

3、测试读取bean对象

package com.model.design.spring.node01.singleton;
import org.junit.Test;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext;
/** * Spring框架中单例模式 */
public class S01_Singleton {
    @Test
    public void test01 (){
        ApplicationContext context01 = new ClassPathXmlApplicationContext("/spring/spring-context.xml");
        ApplicationContext context02 = new ClassPathXmlApplicationContext("/spring/spring-context.xml");
        UserBean user01 = (UserBean)context01.getBean("user") ;
        UserBean user02 = (UserBean)context01.getBean("user") ;
        UserBean user03 = (UserBean)context02.getBean("user") ;
        // com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean@364841
        System.out.println(user01);
        // com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean@364841
        System.out.println(user02);
        // com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean@c4711c
        System.out.println(user03);
    }
}

4、结论

Spring单例模式与纯粹的单例设计模式的主要区别
尽管使用相同的类加载器来加载两个应用程序上下文,但是UserBean的实例是不一样的。也就是Spring框架中的单例对象是基于应用程序中。

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