Java 设计模式 - 单例模式

作者： 霍英俊 [huo920@live.com]

文章目录

Java 设计模式 - 单例模式单例设计模式介绍单例设计模式八种方式饿汉式 - 静态常量饿汉式（静态常量）应用实例优缺点说明 饿汉式 - 静态代码块饿汉式（静态代码块）应用实例优缺点说明 懒汉式 - 线程不安全懒汉式线程不安全应用实例优缺点说明 懒汉式 - 线程安全，同步方法懒汉式线程安全，同步方法应用实例优缺点说明 懒汉式 - 线程安全，同步代码块懒汉式 线程安全，同步代码块应用实例优缺点说明 懒汉式 - 双重检查 - 推荐使用双重检查应用实例优缺点说明 懒汉式 - 静态内部类 - 推荐使用静态内部类应用实例优缺点说明 懒汉式 - 枚举 - 推荐使用枚举应用实例优缺点说明 单例模式在 JDK 应用的源码分析单例模式注意事项和细节说明

单例设计模式介绍

所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中，对某个类 只能存在一个对象实例 ，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法 - 静态方法。

比如 Hibernate 的 SessionFactory ，它充当数据存储源的代理，并负责创建 Session 对象。 SessionFactory 并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够，这时就会使用到单例模式。

创建型设计模式 - 单例模式

设计原则：无

常用场景：应用中有对象需要是全局的且唯一

使用概率：99.99999%

复杂度：低

变化点：无

选择关键点：一个对象在应用中出现多个实例是否会引起逻辑上或者是程序上的错误

逆鳞：在以为是单例的情况下，却产生了多个实例

相关设计模式

原型模式：单例模式是只有一个实例，原型模式每拷贝一次都会创造一个新的实例。

单例设计模式八种方式

单例模式有八种方式：

饿汉式 - 静态常量 - 推荐使用饿汉式 - 静态代码块 - 推荐使用懒汉式 - 线程不安全懒汉式 - 线程安全，同步方法懒汉式 - 线程安全，同步代码块懒汉式 - 双重检查 - 推荐使用懒汉式 - 静态内部类 - 推荐使用懒汉式 - 枚举 - 推荐使用

饿汉式 - 静态常量

饿汉式（静态常量）应用实例

步骤如下

构造器私有化防止 new类的内部创建对 象向外暴露一个静态的公共方法。 getInstance代码实现

public class SingletonTest01 { public static void main(String[] args) { Singleton instance = Singleton.getInstance(); Singleton instance2 = Singleton.getInstance(); System.out.println(instance == instance2); System.out.println(instance.hashCode()); System.out.println(instance2.hashCode()); } } /** * 单例模式 * 饿汉式 静态常量 */ class Singleton { // 1. 私有化构造器，防止外部 new private Singleton() { } // 2. 提供一个静态常量属性对应返回的单例类型 private static final Singleton instance = new Singleton(); // 3. 提供一个 public static 方法供外界获取该实例 public static Singleton getInstance() { return instance; } }

优缺点说明

优 点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同 步问题 。缺 点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 的效果。如果从始 至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费这种方式基于 classloder 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 ，在 单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是导 致类装载 的原因有很多种， 因此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 就没有达到 lazy loading 的效果结 论：这种单例模式可用可能造成内存浪费

饿汉式 - 静态代码块

饿汉式（静态代码块）应用实例

代码演示

public class SingletonTest02 { public static void main(String[] args) { Singleton instance = Singleton.getInstance(); Singleton instance2 = Singleton.getInstance(); System.out.println(instance == instance2); System.out.println(instance.hashCode()); System.out.println(instance2.hashCode()); } } /** * 单例模式 * 饿汉式 静态块 */ class Singleton { // 1. 私有化构造器，防止外部 new private Singleton() { } // 2. 声明一个静态成员变量 private static Singleton instance; // 3. 在静态代码块中实例化 static { instance = new Singleton(); } // 4. 提供一个 public static 方法供外界获取该实例 public static Singleton getInstance() { return instance; } }

优缺点说明

这 种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块 中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优 缺点和上面是一样的 。结 论： 这种单例模式可用 ，但是可能造成内存浪费

懒汉式 - 线程不安全

懒汉式线程不安全应用实例

代码演示

package com.huo.singleton.type03; /** * @author 霍英俊 * @version 1.0.0 * @className: SingletonTest03 * @description: TODO * @email huo920@live.com * @date 2020/7/4 17:19 */ public class SingletonTest03 { public static void main(String[] args) { Singleton instance = Singleton.getInstance(); Singleton instance2 = Singleton.getInstance(); System.out.println(instance == instance2); System.out.println(instance.hashCode()); System.out.println(instance2.hashCode()); } } /** * 懒汉式 - 线程不安全 */ class Singleton{ private static Singleton singleton; private Singleton(){ } // 当调用 getInstance 方法时该创建单例对象， public static Singleton getInstance(){ if (singleton == null){ singleton = new Singleton(); } return singleton; } }

优缺点说明

起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用 。如果在多线程下，一个线程进入了 if (singleton == null) 判断语句块，还未来得及 往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以 在多线程环境下不可使用这种方式结 论：在实际开发中，不要使用这种方式

懒汉式 - 线程安全，同步方法

懒汉式线程安全，同步方法应用实例

代码演示

package com.huo.singleton.type04; /** * @author 霍英俊 * @version 1.0.0 * @className: SingletonTest03 * @description: TODO * @email huo920@live.com * @date 2020/7/4 17:19 */ public class SingletonTest04 { public static void main(String[] args) { Singleton instance = Singleton.getInstance(); Singleton instance2 = Singleton.getInstance(); System.out.println(instance == instance2); System.out.println(instance.hashCode()); System.out.println(instance2.hashCode()); } } /** * 懒汉式 - 线程安全, 同步方法 */ class Singleton { private static Singleton singleton; private Singleton() { } // 当调用 getInstance 方法时该创建单例对象，懒汉式 // 加入同步处理的代码，解决了线程安全的问题 public static synchronized Singleton getInstance() { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } return singleton; } }

优缺点说明

1)解决了线程不安全问题 2)效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行 getInstance() 方法都要进行 同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例， 直接 return 就行了。方法进行同步效率太低 3)结 论： 在实际开发中， 不推荐使用这种方式

懒汉式 - 线程安全，同步代码块

懒汉式 线程安全，同步代码块应用实例

实际上并没有解决线程安全问题

代码演示

package com.huo.singleton.type05; /** * @author 霍英俊 * @version 1.0.0 * @className: SingletonTest03 * @description: TODO * @email huo920@live.com * @date 2020/7/4 17:19 */ public class SingletonTest05 { public static void main(String[] args) { Singleton instance = Singleton.getInstance(); Singleton instance2 = Singleton.getInstance(); System.out.println(instance == instance2); System.out.println(instance.hashCode()); System.out.println(instance2.hashCode()); } } /** * 懒汉式 - 线程安全, 同步代码块 */ class Singleton { private static Singleton singleton; private Singleton() { } // 当调用 getInstance 方法时该创建单例对象，懒汉式 // 在第四种方法的基础上将同步代码块方法下面，为了解决效率问题 // 实际上多线程的情况可能有两个线程同时走进if (singleton == null)， 所以并没有解决线程安全问题 public static Singleton getInstance() { if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class){ singleton = new Singleton(); } } return singleton; } }

优缺点说明

这种方式，本意是想对第四种实现方式的改进，因为前面同步方法效率太低， 改为同步产生实例化的的代码块但 是这种同步并不能起到线程同步的作用 。跟第 3 种实现方式遇到的情形一 致，假如一个线程进入了 if (singleton == null) 判断语句块，还未来得及往下执行， 另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例结论：在实际开发中， 不能使用这种方式

懒汉式 - 双重检查 - 推荐使用

双重检查应用实例

代码演示

package com.huo.singleton.type06; /** * @author 霍英俊 * @version 1.0.0 * @className: SingletonTest03 * @description: TODO * @email huo920@live.com * @date 2020/7/4 17:19 */ public class SingletonTest06 { public static void main(String[] args) { Singleton instance = Singleton.getInstance(); Singleton instance2 = Singleton.getInstance(); System.out.println(instance == instance2); System.out.println(instance.hashCode()); System.out.println(instance2.hashCode()); } } /** * 懒汉式 - 双重检查 */ class Singleton { // 这里必须加volalite的原因 - volalite可以禁止指令重排： // new 对象的过程分为三步： // 1.分配空间 // 2.初始化对象 // 3.指向对象内存地址。 // 2和3可能被编译器自动重排，导致判断非空但是实际拿的对象还未完成初始化 private static volatile Singleton singleton; private Singleton() { } // 当调用 getInstance 方法时该创建单例对象，懒汉式 // 进行了两次 if (singleton == null) 检查，这样就可以保证线程安全了，同时解决了懒加载问题 public static Singleton getInstance() { if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class){ if (singleton == null){ singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }

如果不加 volatile 的话，虽然加了锁和双重判断，但是其实这个类是线程不安全的

原因是：

这个要从cpu的指令开始说起

当我们执行 instance = new Singleton(); 时 要执行什么操作呢？

主要分三步：

分配对象内存空间 memory = allocate（）分配对象内存空间

ctorInstance（）初始化对象

instance = memory 设置instance指向刚分配的内存

但是由于存在指令重排的情况（单线程情况下无影响。多线程下会有影响）

由于2 和3 没有顺序的必然关系

也就可能会出现：

分配对象内存空间 memory = allocate（）分配对象内存空间

instance = memory 设置instance指向刚分配的内存

ctorInstance（）初始化对象

此时我们假设有两个线程A和B进入

A 先执行了 3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存这个操作，但是还未来得及初始化对象。

B 判断 if(instance == null) 时 则会返回true 然后instance， 这时返回值就会出现问题 。

解决方案：

此时使用volatile关键字 则可以解决这个问题 volatile 关键字 有禁止重排序的功能 原文链接：https://blog.csdn.net/Minstrel007/article/details/94592467

优缺点说明

Double Check 概念是多线程开发中常使用到的， 如代码中所示，我们进行了两 次 if (singleton == null) 检查，这样就可以保证线程安全了 。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断 if (singleton == null) 直接 return 实例化对 象，也避免的反复进行方法同步线程安全；延迟加载；效率较高结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式

懒汉式 - 静态内部类 - 推荐使用

静态内部类应用实例

代码演示

package com.huo.singleton.type07; /** * @author 霍英俊 * @version 1.0.0 * @className: SingletonTest03 * @description: TODO * @email huo920@live.com * @date 2020/7/4 17:19 */ public class SingletonTest07 { public static void main(String[] args) { Singleton instance = Singleton.getInstance(); Singleton instance2 = Singleton.getInstance(); System.out.println(instance == instance2); System.out.println(instance.hashCode()); System.out.println(instance2.hashCode()); } } /** * 懒汉式 - 静态内部类 */ class Singleton { private Singleton() { } // Singleton 被装载的时候，静态内部类 SingletonInstance 并不会立即被装载 private static class SingletonInstance { private static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); } // 当调用 getInstance 方法时该创建单例对象 // getInstance 会导致静态内部类 SingletonInstance 被装载，而且只会被装载一次，不会有线程安全问题 public static Singleton getInstance() { return SingletonInstance.INSTANCE; } }

优缺点说明

这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程 。静 态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化 时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的 实例化 。类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里， JVM 帮助我们 保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的 。优 点：避免了线程不安全 ，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高结 论：推荐使用

懒汉式 - 枚举 - 推荐使用

枚举应用实例

代码演示

package com.huo.singleton.type08; /** * @author 霍英俊 * @version 1.0.0 * @className: SingletonTest03 * @description: TODO * @email huo920@live.com * @date 2020/7/4 17:19 */ public class SingletonTest08 { public static void main(String[] args) { Singleton instance = Singleton.INSTANCE; Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE; System.out.println(instance == instance2); System.out.println(instance.hashCode()); System.out.println(instance2.hashCode()); instance.method(); } } /** * 懒汉式 - 枚举 */ enum Singleton { INSTANCE; public void method(){ System.out.println("Singleton - enum"); } }

优缺点说明

这借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而 且还能防止反序列化重新创建新的对象 。这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式结论：推荐使用

单例模式在 JDK 应用的源码分析

单例模式在JDK 应用的源码分析

我们 JDK 中 java.lang.Runtime 就是经典的 例模式饿汉式代码分析 +Debug 源码代码说明

单例模式注意事项和细节说明

单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需 要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使 用 new单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或 耗费资源过多即：重量级对象但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数 据库或文件的对象。 比如数据源、 session 工厂等