设计模式篇之一文搞懂如何实现单例模式

设计模式篇之一文搞懂如何实现单例模式

大家好，我是小简，这一篇文章，6种单例方法一网打尽，虽然单例模式很简单，但是也是设计模式入门基础，我也来详细讲讲。

(资料图)

DEMO仓库：https://github.com/JanYork/DesignPattern ，欢迎PR，共建。

单例模式

单例模式（SingletonPattern）是 Java中最简单的设计模式之一。

单例模式一共存在 --> 懒汉式、饿汉式、懒汉+同步锁、双重校验锁、静态内部类、枚举这六种方式。

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。

这种模式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。

要求

为什么需要使用单例模式

单例原理

单例的原理非常简单，我们让他唯一的方法就是让他不可用被new，那我们只需要私有化类的构造即可：

private ClassName() {}

但是私有化后，我们不能new又如何创建对象呢？

我们首先要明白，private他是私有的，也就是不让外部其他类访问，那我们自己还是可以访问的，所以在上文的要求中就说到了：单例类必须自己创建自己的唯一实例。

同时我们还需要抛出单例的获取方法。

单例模式之懒汉式

创建单例类

public class SlackerStyle {}

创建一个属性保存自身对象

public class SlackerStyle {    private static SlackerStyle instance;}

私有化构造

public class SlackerStyle {    private static SlackerStyle instance;    /**     * 私有化构造方法(防止外部new新的对象)     */    private SlackerStyle() {    }}

自身创建对象与获取对象方法

public class SlackerStyle {    private static SlackerStyle instance;    /**     * 私有化构造方法(防止外部new新的对象)     */    private SlackerStyle() {    }    /**     * 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建instance     * 即懒汉式     *     * @return instance（单例对象）     */    public static SlackerStyle getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new SlackerStyle();        }        return instance;    }}

当我们调用静态方法，它便会判断上面的静态属性instance中有无自身对象，无 --> 创建对象并赋值给instance，有 --> 返回instance。

优缺分析

优点：延迟加载，效率较高。缺点：线程不安全，可能会造成多个实例。

解释：延迟加载 --> 懒汉式只有在需要时才会创建单例对象，可以节约资源并提高程序的启动速度。

单例模式之懒汉式+锁

在以上的类中，对getInstance()方法添加synchronized锁，即可弥补线程不安全缺陷。

/**     * 注意，此段为补充，为了解决线程不安全的问题，可以在方法上加上synchronized关键字，但是这样会导致效率下降     * 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     * 此方法为线程安全的懒汉式，即懒汉+同步锁，就不额外写一个类了     *     * @return instance（单例对象）     */    public static synchronized SlackerStyle getInstance2() {        if (instance == null) {            instance = new SlackerStyle();        }        return instance;    }

虽然弥补了线程不安全的缺陷，但是也失去了一部分效率，所以需要根据业务环境去选择适合的方法，鱼和熊掌不可兼得。

单例模式之饿汉式

还是如开始一样，创建好单例类，私有化构造方法。

public class HungryManStyle {    /**     * 私有化构造方法(防止外部new新的对象)     */    private HungryManStyle() {    }}

静态初始化对象

我们饿汉式是延迟加载的，即要用，然后第一次去调用时才会创建对象，而饿汉式恰恰相反，他在初始化类的时候就去创建。

静态初始化？

我们的static关键词修饰的方法或属性，在类加载之初遍开辟内存创建好了相关的内容了。

包括每个类的：

static{}

中也一样的。

所以我们直接使用static修饰。

public class HungryManStyle {    /**     * 静态变量(单例对象)，类加载时就初始化对象(不存在线程安全问题)     */    private static final HungryManStyle INSTANCE = new HungryManStyle();    /**     * 私有化构造方法(防止外部new新的对象)     */    private HungryManStyle() {    }    /**     * 提供一个静态的公有方法，直接返回INSTANCE     *     * @return instance（单例对象）     */    public static HungryManStyle getInstance() {        return INSTANCE;    }}

而且我们在类的静态属性创建时就new了一个自身对象了。

优缺分析

饿汉式的优点如下：

饿汉式的缺点如下：

综上所述，饿汉式的优点是线程安全、没有加锁的性能问题和实现简单，缺点是可能影响程序的启动速度和浪费资源。

在选择单例模式的实现方式时，需要根据实际情况综合考虑各种因素，选择最适合的方式。

单例模式之双重检查锁

初始化基本单例类

老规矩。

public class DoubleLockStyle {    /**     * volatile关键字，使得instance变量在多个线程间可见，禁止指令重排序优化     * volatile是一个轻量级的同步机制，即轻量锁     */    private static volatile DoubleLockStyle instance;    /**     * 私有化构造方法(防止外部new新的对象)     */    private DoubleLockStyle() {    }}

不一样的是，我在属性上使用volatile关键词修饰了。

volatile？

补充知识啦！

在这个代码中，使用了 volatile 关键字来确保 instance 变量的可见性，避免出现空指针异常等问题。

补充：

volatile的主要作用是保证共享变量的可见性和有序性。共享变量是指在多个线程之间共享的变量，例如单例模式中的 instance变量。如果不使用volatile关键字修饰 instance变量，在多线程环境下可能会出现空指针异常等问题。

这是因为当一个线程修改了 instance变量的值时，其他线程可能无法立即看到修改后的值，从而出现空指针异常等问题。

使用 volatile关键字可以解决这个问题，因为它可以保证对共享变量的修改对其他线程是可见的。

除了可见性和有序性之外，volatile 还可以防止指令重排序。指令重排序是指 CPU 为了提高程序执行的效率而对指令执行的顺序进行调整的行为。在单例模式中，如果 instance 变量没有被声明为 volatile，那么在多线程环境下可能会出现单例对象被重复创建的问题。这是因为在多线程环境下，某些线程可能会在 instance 变量被初始化之前就调用 getInstance()方法，从而导致多次创建单例对象。通过将 instance 变量声明为 volatile，可以保证在创建单例对象之前，instance 变量已经被正确地初始化了。

双重锁

/** * 提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题，同时解决懒加载问题 * 即双重检查锁模式 * * @return instance（单例对象） */public static DoubleLockStyle getInstance() {    if (instance == null) {        // 同步代码块，线程安全的创建实例        synchronized (DoubleLockStyle.class) {            //之所以要再次判断，是因为可能有多个线程同时进入了第一个if判断            if (instance == null) {                instance = new DoubleLockStyle();            }        }    }    return instance;}

在获取方法中，使用synchronized来同步，使它线程安全。

有缺分析

双重锁模式是一种用于延迟初始化的优化模式，在第一次调用时创建单例对象，并在之后的访问中直接返回该对象。它通过使用双重检查锁定（double checked locking）来保证在多线程环境下只有一个线程可以创建单例对象，并且不会加锁影响程序性能。

优点：

缺点：

一个synchronized为何叫双重锁？

在双重锁模式中，确实只有一个 synchronized关键字，但是这个 synchronized关键字是在代码中被使用了两次，因此被称为“双重锁”。

具体来说，双重锁模式通常会在 getInstance方法中使用 synchronized关键字来保证线程安全，但是这会影响程序的性能，因为每次访问 getInstance方法都需要获取锁。为了避免这个问题，双重锁模式使用了一个优化技巧，即只有在第一次调用 getInstance方法时才会获取锁并创建单例对象，以后的调用都直接返回已经创建好的单例对象，不需要再获取锁。

具体实现时，双重锁模式会在第一次调用 getInstance方法时进行两次检查，分别使用外部的 if语句和内部的 synchronized关键字。外部的 if语句用于判断单例对象是否已经被创建，如果已经被创建则直接返回单例对象，否则进入内部的 synchronized关键字块，再次检查单例对象是否已经被创建，如果没有被创建则创建单例对象并返回，否则直接返回已经创建好的单例对象。

这样做的好处是，在多线程环境下，只有一个线程可以进入内部的 synchronized关键字块，从而保证了线程安全，同时避免了每次访问 getInstance方法都需要获取锁的性能问题。

单例模式之静态内部类

因为已经熟悉了这个设计模式原理，我就直接放代码了。

public class StaticInnerClassStyle {    /**     * 私有化构造方法(防止外部new新的对象)     */    private StaticInnerClassStyle() {    }    /**     * 静态内部类     */    private static class SingletonInstance {        // 静态内部类中的静态变量(单例对象)        private static final StaticInnerClassStyle INSTANCE = new StaticInnerClassStyle();    }    /**     * 提供一个静态的公有方法，直接返回SingletonInstance.INSTANCE     *     * @return instance（单例对象）     */    public static StaticInnerClassStyle getInstance() {        return SingletonInstance.INSTANCE;    }}

优缺分析

优点：

缺点：

总的来说，静态内部类模式是一种性能高、线程安全的单例模式实现方式，适用于大部分场景。

如果需要传递参数或者需要频繁创建单例对象，则可能需要考虑其他的实现方式。

它不是static修饰吗?为什么也可以懒加载

懒加载即延时加载 --> 使用时采取创建对象。

在静态内部类模式中，单例对象是在静态内部类中被创建的。静态内部类只有在第一次被使用时才会被加载，因此单例对象也是在第一次使用时被创建的。这样就实现了延迟加载的效果，即在需要时才创建单例对象，避免了在程序启动时就创建单例对象的开销。

此外，静态内部类中的静态变量和静态方法是在类加载时被初始化的，而静态内部类本身是非常轻量级的，加载和初始化的时间和开销都非常小。因此，静态内部类模式既能够实现懒加载，又不会带来太大的性能损失。

总之，它在静态初始化意料之外，我相信也在你意料之外。

单例模式之枚举单例

/** * @author JanYork * @date 2023/3/1 17:54 * @description 设计模式之单例模式(枚举单例) * 优点：避免序列化和反序列化攻击破坏单例，避免反射攻击破坏单例(枚举类型构造函数是私有的)，线程安全，延迟加载，效率较高。 * 缺点：代码复杂度较高。 */public enum EnumerateSingletons {    /**     * 枚举单例     */    INSTANCE;    public void whateverMethod() {        // TODO：do something ，在这里实现单例对象的功能    }}

在上述代码中，INSTANCE是 EnumSingleton类型的一个枚举常量，表示单例对象的一个实例。由于枚举类型的特性，INSTANCE会被自动初始化为单例对象的一个实例，并且保证在整个应用程序的生命周期中只有一个实例。

使用枚举单例的方式非常简单，只需要通过 EnumSingleton.INSTANCE的方式来获取单例对象即可。例如：

EnumerateSingletons singleton = EnumerateSingletons.INSTANCE;singleton.doSomething();

使用枚举单例的好处在于，它是线程安全、序列化安全、反射安全的，而且代码简洁明了，不容易出错。另外，枚举单例还可以通过枚举类型的特性来添加其他方法和属性，非常灵活。

优缺分析

枚举单例的缺点相对来说比较少，但是也存在一些限制：

总之，枚举单例是一种非常优秀的单例实现方式，它具有线程安全、序列化安全、反射安全等优点，适用于大多数单例场景，但也存在一些限制和局限性。需要根据具体的场景来选择合适的单例实现方式。

这么多方式我该怎么选？

设计模式本就是业务中优化一些设计带来的概念性设计，我们需要结合业务分析：

如果你的单例对象创建成本低、不需要考虑线程安全、序列化安全、反射安全等问题，建议使用饿汉式实现单例；如果需要考虑线程安全和性能问题，可以选择懒汉式的双重锁或静态内部类实现方式；如果需要考虑单例对象创建成本较高，需要考虑线程安全、序列化安全、反射安全等问题，建议选择枚举单例实现方式。当然，在实际的开发中，还需要考虑其他一些因素，如单例对象的生命周期、多线程访问情况、性能要求、并发访问压力等等，才能综合选择最合适的单例实现方式。

Java程序员身边的单例模式

来自某AI(敏感词)：