一篇文章详解单例模式

0. 序言

  • 我们要熟练掌握单例模式。不管是实战开发中,还是面试手写设计模式中,都少不了它。
  • 通过阅读本篇博文,你会了解常用的单例模式,单例模式三要素,以及如何保证单例模式的安全性。

1. 定义

  • 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。

2. UML类图

单例模式UML.png

3. 通用代码(饿汉式)

public class Singleton {

    private static final Singleton sSingleton = new Singleton();

    //限制产生多个对象
    private Singleton() {
    }

    //通过该方法获得实例对象
    public static Singleton getSingleton() {
        return sSingleton;
    }

    //类中其他方法,尽量是static
    public static void doSometing() {

    }
}

4. 三要素(非常重要)

  • 私有构造函数。
  • 暴露公有静态方法返回单例类唯一对象。
  • 在多线程环境下确保单例类对象有且只有一个。

5. 优点

  • 只有一个实例,减少内存开支。(频繁创建时)
  • 只生成一个实例,减少系统性能开销。(一个对象需要比较多的资源时)
  • 避免对资源的多重占用,以免对同一个资源文件同时操作。(比如:写文件时)
  • 优化和共享资源访问。(可以在系统设置全局的访问点)

6. 缺点

  • 没有接口,扩展困难,只能修改代码。疑问:为什么不增加接口呢?因为单例模式要求“自行实例化”,接口对单例模式没有意义。
  • 对测试不利。并行开发环境中,单例模式没有完成,是不能进行测试的。
  • 单例模式与单一职责原则有冲突。后者规定一个类应该只实现一个逻辑,是不是单例取决于环境。前者规定必须是单例而且没有规定只能有一个逻辑。

7. 使用场景

  • 当要求一个类有且只有一个对象,出现多个对象就会发生“不良反应”时,比如访问I/O或者数据库等资源。
  • 整个项目需要一个共享访问点或者共享数据。
  • 工具类对象。

8. 注意事项(一)

在高并发的情况下,饿汉式不会出现产生多个实例的情况,但是懒汉式就要注意线程的同步问题,懒汉式代码如下:

public class Singleton {

    private static Singleton sSingleton = null;

    //限制产生多个对象
    private Singleton() {
    }

    //通过该方法获得实例对象
    public static Singleton getSingleton() {
        if (sSingleton == null) {
            sSingleton = new Singleton();
        }
        return sSingleton;
    }
    
}

该单例模式在低并发的情况下并不会出现问题,若并发量增大则可能出现多个实例!为什么会这样呢?

如一个线程A执行到sSingleton = new Singleton(),但是没有获得对象(对象初始化是需要时间的),第二个线程B也在执行,执行到(sSingleton == null)判断,那么线程B获得判断条件也是真,于是继续运行下去,线程A获得了一个对象,线程B也获得了一个对象,在内存中就出现两个对象。

解决线程不安全的方法有很多,可以在getSingleton方法前加sychronized关键字,也可以在getSingleton方法内增加sychronized来实现。

public class Singleton {

    private static Singleton sSingleton = null;

    //限制产生多个对象
    private Singleton() {
    }

    //通过该方法获得实例对象
    public static sychronized Singleton getSingleton() {
        if (sSingleton == null) {
            sSingleton = new Singleton();
        }
        return sSingleton;
    }
}

优点是单例只有在使用时才会被实例化,在一定程序上节约了资源;缺点是第一次加载时需要及时进行实例化,反应稍慢,最大的问题是每次调用getInstance都进行同步,造成不必要的同步开销。

所以相比懒汉式,更加推荐饿汉式,当然各有利弊,下文会推荐几种适用的单例模式,别着急,接着往下看。

9. 注意事项(二)

除了担心高并发以外,还需要考虑对象的复制情况。

在Java中,对象默认是不可以被复制的,若实现Cloneable接口,实现clone方法,则可以直接通过对象复制方法创建一个新对象,对象复制是不用调用类的构造函数的,因此即使是私有的构造函数,对象仍然可以被复制。所以解决该问题的方法就是单例类不要实现Cloneable接口。

10. 推荐写法

  • 饿汉式模式
public class Singleton {

    private static final Singleton sSingleton = new Singleton();

    //限制产生多个对象
    private Singleton() {
    }

    //通过该方法获得实例对象
    public static Singleton getSingleton() {
        return sSingleton;
    }

    //类中其他方法,尽量是static
    public static void doSometing() {

    }
}

优点:类加载时就完成了初始化,所以类加载较慢,但获取对象的速度快。这种方式基于类加载机制,避免了多线程的同步问题。

缺点:不能达到懒加载的效果,如果从始至终未使用过这个实例,则会造成内存的浪费。

推荐场景:单例模式经常使用的场景下,选择饿汉式。

  • 双重检索模式(DCL)
public class Singleton {

    private static Singleton sSingleton = null;

    //限制产生多个对象
    private Singleton() {
    }

    //通过该方法获得实例对象
    public static Singleton getSingleton() {
        if (sSingleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (sSingleton == null) {
                    sSingleton = new Singleton();
                }
            }

        }
        return sSingleton;
    }
    
}

亮点:在getSingleton方法中对instance进行了两次判空:第一层判断主要是为了避免不必要的同步,第二层判断则是为了在Singleton等于null的情况下才创建实例。

分析:
sSingleton = new Singleton()这句话大致做了3件事情:
①:给Singleton的实例分配内存。
②:调用Singleton()构造函数,初始化成员字段。
③:将sSingleton对象指向分配的内存空间(此时sSingleton不是null了)
但是由于Java编译器允许处理器乱序执行等原因,执行顺序可能是1,2,3,还可能是1,3,2.如果是后者,并且在3执行完毕、2未执行之前,被切换到线程B上,这时候sSingleton因为已经在线程A内执行过了第三点,sSingleton已经是非空了,所以线程B直接取走sSingleton,再使用时就会出错,导致DCL失效。
为了避免这类事情的发生,JDK1.5之后调整了JVM,具体化了volatile关键字,只需要将sSingleton定义改成private volatile static Singleton sSingleton = null 就可以保证sSingleton对象每次都是从主内存中读取的,保证了可见性和有序性,这样的话就可以使用DCL。以后会有相关Java内存方面的文章,具体阐述volatile关键字。

优点:资源利用率高,第一次执行getSingleton时单例对象才会被实例化。
缺点:第一次加载时反应稍慢。

推荐理由:资源利用率高!线程安全!绝大多数场景下可以保证单例对象的唯一性。

完整代码:

public class Singleton {

    private volatile static Singleton sSingleton = null;

    //限制产生多个对象
    private Singleton() {
    }

    //通过该方法获得实例对象
    public static Singleton getSingleton() {
        if (sSingleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (sSingleton == null) {
                    sSingleton = new Singleton();
                }
            }

        }
        return sSingleton;
    }
    
}
  • 静态内部类单例模式(最推荐的)

DCL虽然解决了资源消耗、多余的同步、线程安全等问题,但是在高并发场景比较复杂的情况下依然会出现失效的问题,所以推荐使用静态内部类单例模式:

public class Singleton {

    //限制产生多个对象
    private Singleton() {
    }

    //通过该方法获得实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.sInstance;
    }

    /**
     * 静态内部类
     */
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton sInstance = new Singleton();
    }

}

优点:

  1. 懒加载:
    第一次加载Singleton类时并不会初始化sInstance,只有在第一次调用Singleton的getInstance方法时才会导致sInstance被初始化。
  2. 线程安全和单例对象唯一性:
    第一次调用Singleton的getInstance方法时会导致虚拟机加载SingletonHolder类,这种方式确保了线程安全,还保证了单例对象的唯一性。

推荐理由:懒加载、线程安全、单例对象唯一性。

  • 枚举模式
public enum Singleton {

    INSTANCE;

    public void doSomething() {
        System.out.println("do sth.");
    }

    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return INSTANCE;
    }
}

优点:默认枚举实例的创建实线程安全的,并且在任何情况下它都是一个单例,包括序列化。

推荐理由:写法简单,甚至在反序列化的情况下,依然可以保证单例的唯一性。

  • 容器模式
public class Singleton {

    private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<String, Object>();

    private Singleton() {
    }

    public static void registerService(String key, Object instance) {
        if (!objMap.containsKey(key)) {
            objMap.put(key, instance);
        }
    }

    public static Object getService(String key) {
        return objMap.get(key);
    }

}

分析:在程序的初始,将多种单例类型注入到一个统一的管理类中,在使用时根据key获取对象对应类型的对象。这种方式使得我们可以管理多种类型的单例,并且在使用时可以通过统一的接口进行获取操作,降低了用户的使用成本,也对用户隐藏了具体实现,降低了耦合度。

11. 特别注意

通过反序列化,上面几种单例模式都会出现
重新创建对象的情况,枚举不包括在内。

通过反序列化可以将一个单例的实例对象写到磁盘,然后再读回来,从而获得一个实例。及时构造函数是私有的,反序列化依然可以通过特殊途径去创建类的一个新的实例。

反序列化操作提供了一个很特别的函数,类中具有一个私有的、被实例化的方法readResolve,通过这个方法可以让开发人员控制对象的反序列化。

所以上述几个示例(不包括枚举)中如果要杜绝单例对象在被反序列化时重新生成对象,必须加入以下方法

private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return sInstance;
}

readResolve方法将sInstance对象返回,而不是默认的重新生成一个新的对象。

12. 后续

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