面试题02：实现Singleton模式

最新推荐文章于 2025-08-13 00:51:15 发布

ellisonzhao

最新推荐文章于 2025-08-13 00:51:15 发布

阅读量229

点赞数 1

CC 4.0 BY-SA版权

分类专栏：《剑指Offer》题解（Java实现）文章标签：单例模式

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/charlsonzhao/article/details/94590937

《剑指Offer》题解（Java实现）专栏收录该内容

14 篇文章

订阅专栏

本文深入解析单例模式，探讨其设计意图、问题解决、使用时机及优缺点。详细阐述七种实现方式，包括懒汉式、饿汉式、双重校验锁等，对比各自特性，如线程安全性和lazy loading效果。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

实现Singleton模式

单例模式介绍

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。

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。

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。
单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

意图

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。

主要解决问题

一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

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。

优点

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（比如管理学院首页页面缓存）。
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

要求生产唯一序列号。
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。
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。

几种实现方式

单例模式常见的两种实现方式，一种是饿汉式，就是在类初始化的时候，创建对象，这种方式是线程安全的，在程序运行期间就这一个对象。

另一种是懒汉式，懒汉式是在第一次使用时才创建对象，但是如果在多线程环境中要考虑线程安全问题。

第一种：懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化： 是

是否多线程安全： 否

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

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。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

第二种：懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化： 是

是否多线程安全： 是

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

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。

getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

第三种：饿汉式

是否 Lazy 初始化： 否

是否多线程安全： 是

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

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 classloader 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，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。

第四种：饿汉式，变种

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

表面上看起来差别挺大，其实跟第三种方式差不多，都是在类初始化即实例化 instance。

第五种：双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本： JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化： 是

是否多线程安全： 是

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
            if (singleton == null) {  
                singleton = new Singleton();  
            }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

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。

第六种：登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化： 是

是否多线程安全： 是

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

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 的机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第三种和第四种方式不同的是（很细微的差别）：第三种和第四种方式是只要 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，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为我不能确保 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，这种方式相比第三和第四种方式就显得很合理。

第七种：枚举

JDK 版本： JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化： 否

是否多线程安全： 是

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

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。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

总结

有两个问题需要注意：

如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取，例如一些 servlet 容器对每个 servlet 使用完全不同的类装载器，这样的话如果有两个 servlet 访问一个单例类，它们就都会有各自的实例。
如果 Singleton 实现了 java.io.Serializable 接口，那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样，如果你序列化一个单例类的对象，接下来复原多个那个对象，那你就会有多个单例类的实例。单例与序列化的那些事儿

对第一个问题修复的办法是：

private static Class getClass(String classname) throws ClassNotFoundException {  
    ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    if(classLoader == null)     
        classLoader = Singleton.class.getClassLoader();     
        return (classLoader.loadClass(classname));     
    }     
}

对第二个问题修复的办法是：

public class Singleton implements java.io.Serializable {     
    public static Singleton INSTANCE = new Singleton();     
    
    protected Singleton() {}     
    private Object readResolve() {     
        return INSTANCE;     
    }    
}