设计模式之单例模式

最新推荐文章于 2024-10-23 22:17:36 发布

胖子啊

最新推荐文章于 2024-10-23 22:17:36 发布

阅读量125

点赞数

分类专栏：设计模式

设计模式专栏收录该内容

5 篇文章

订阅专栏

一、GOF与设计模式

GOF四位作者合著出版了一本名为 Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software（中文译名：设计模式 - 可复用的面向对象软件元素）

他们所提出的设计模式主要是基于以下的面向对象设计原则。

对接口编程而不是对实现编程。

优先使用对象组合而不是继承。

二、设计模式分类

模式可以分为三大类：创建型模式、结构型模式、行为型模式

创建型模式：工厂模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式

（提供了一种在创建对象的同时隐藏创建逻辑的方式，而不是使用 new 运算符直接实例化对象。这使得程序在判断针对某个给定实例需要创建哪些对象时更加灵活。）

结构型模式：适配器模式、桥接模式、过滤器模式、组合模式、装饰器模式、外观模式、享元模式、代理模式

（关注类和对象的组合。继承的概念被用来组合接口和定义组合对象获得新功能的方式。）

行为型模式：责任链模式、命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、空对象模式、策略模式、模板模式、访问者模式

（特别关注对象之间的通信。）

三、单例模式

（1）概述

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。

（2)介绍

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：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。

应用实例：

1、一个班级只有一个班主任。

2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。

3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

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。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

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（比如网站首页页面缓存）。

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。

（3）实现

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!");
   }
}

（4）单例模式的几种实现方式

1、懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

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。

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

下面的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。

2、懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

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。

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

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

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 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。

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

4、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

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。

getInstance() 的性能对应用程序很关键。

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;  
    }  
}

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 classloader 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，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 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。

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

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。

不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

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

经验之谈：一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

四、枚举单例

枚举类似类，一个枚举可以拥有成员变量，成员方法，构造方法

enum Type{
    A,B,C,D;
}

创建enum时，编译器会自动为我们生成一个继承自java.lang.Enum的类，我们上面的enum可以简单看作：

class Type extends Enum{
    public static final Type A;
    public static final Type B;
    ...
}

可以把Type看作一个类，而把A，B，C，D看作类的Type的实例。

构建实例的过程不是我们做的，一个enum的构造方法限制是private的，也就是不允许我们调用。

在enum中，我们可以定义类和实例的变量以及方法。

enum Type{
    A,B,C,D;
    static int value;
    public static int getValue() {
        return value;
    }
    String type;
    public String getType() {
        return type;
    }
}

把Type看做一个类，那么enum中静态的域和方法，都可以视作类方法。和我们调用普通的静态方法一样，这里调用类方法也是通过 Type.getValue()即可调用。

enum Type{
A{
    public String getType() {
        return "I will not tell you";
    }
},B,C,D;
static int value;
public static int getValue() {
    return value;
}
String type;
public String getType() {
    return type;
 }
}

这里，A实例后面的{…}就是属于A的实例方法，可以通过覆盖原本的方法，实现属于自己的定制。

还可以添加抽象方法在enum中，强制ABCD都实现各自的处理逻辑

enum Type{
    A{
        public String getType() {
            return "A";
        }
    },B {
        @Override
        public String getType() {
            return "B";
        }
    },C {
        @Override
        public String getType() {
            return "C";
        }
    },D {
        @Override
        public String getType() {
            return "D";
        }
    };
    public abstract String getType();
}

枚举单例

有了上面的基础，我们可以来看一下枚举单例的实现方法：

class Resource{
}
 
public enum SomeThing {
    INSTANCE;
    private Resource instance;
    SomeThing() {
        instance = new Resource();
    }
    public Resource getInstance() {
        return instance;
    }
}

上面的类Resource是我们要应用单例模式的资源，具体可以表现为网络连接，数据库连接，线程池等等。

获取资源的方式很简单，只要 SomeThing.INSTANCE.getInstance() 即可获得所要实例。下面我们来看看单例是如何被保证的：

首先，在枚举中我们明确了构造方法限制为私有，在我们访问枚举实例时会执行构造方法，同时每个枚举实例都是static final类型的，也就表明只能被实例化一次。在调用构造方法时，我们的单例被实例化。

也就是说，因为enum中的实例被保证只会被实例化一次，所以我们的INSTANCE也被保证实例化一次。

看一下Enum这个类的声明：

public abstract class Enum<E extends Enum<E>>
        implements Comparable<E>, Serializable

可以看到，枚举也提供了序列化机制。某些情况，比如我们要通过网络传输一个数据库连接的句柄，会提供很多帮助。

最后借用《Effective Java》一书中的话，单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

原文链接：https://www.cnblogs.com/kaleidoscope/p/9636779.html

https://www.cnblogs.com/kaleidoscope/p/9636779.html