什么是單例模式?

在文章開始之前我們還是有必要介紹一下什么是單例模式。單例模式是為確保一個類只有一個實(shí)例，并為整個系統(tǒng)提供一個全局訪問點(diǎn)的一種模式方法。

從概念中體現(xiàn)出了單例的一些特點(diǎn)：

（1）、在任何情況下，單例類永遠(yuǎn)只有一個實(shí)例存在

（2）、單例需要有能力為整個系統(tǒng)提供這一唯一實(shí)例?

為了便于讀者更好的理解這些概念，下面給出這么一段內(nèi)容敘述：

在計算機(jī)系統(tǒng)中，線程池、緩存、日志對象、對話框、打印機(jī)、顯卡的驅(qū)動程序?qū)ο蟪１辉O(shè)計成單例。這些應(yīng)用都或多或少具有資源管理器的功能。每臺計算機(jī)可以有若干個打印機(jī)，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個打印作業(yè)同時輸出到打印機(jī)中。每臺計算機(jī)可以有若干通信端口，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)集中管理這些通信端口，以避免一個通信端口同時被兩個請求同時調(diào)用?？傊?，選擇單例模式就是為了避免不一致狀態(tài)，避免政出多頭。

正是由于這個特點(diǎn)，單例對象通常作為程序中的存放配置信息的載體，因?yàn)樗鼙ＷC其他對象讀到一致的信息。例如在某個服務(wù)器程序中，該服務(wù)器的配置信息可能存放在數(shù)據(jù)庫或文件中，這些配置數(shù)據(jù)由某個單例對象統(tǒng)一讀取，服務(wù)進(jìn)程中的其他對象如果要獲取這些配置信息，只需訪問該單例對象即可。這種方式極大地簡化了在復(fù)雜環(huán)境 下，尤其是多線程環(huán)境下的配置管理，但是隨著應(yīng)用場景的不同，也可能帶來一些同步問題。

各式各樣的單例實(shí)現(xiàn)

溫馨提示：本文敘述中涉及到的相關(guān)源碼可以在這里進(jìn)行下載源碼，讀者可免積分下載。

1、餓漢式單例

餓漢式單例是指在方法調(diào)用前，實(shí)例就已經(jīng)創(chuàng)建好了。下面是實(shí)現(xiàn)代碼：

package org.mlinge.s01;

public class MySingleton {

private static MySingleton instance = new MySingleton();

private MySingleton(){}

public static MySingleton getInstance() {

return instance;

}

}

以上是單例的餓漢式實(shí)現(xiàn)，我們來看看餓漢式在多線程下的執(zhí)行情況，給出一段多線程的執(zhí)行代碼：

package org.mlinge.s01;

public class MyThread extends Thread{

@Override

public void run() {

System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());

}

public static void main(String[] args) {

MyThread[] mts = new MyThread[10];

for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){

mts[i] = new MyThread();

}

for (int j = 0; j < mts.length; j++) {

mts[j].start();

}

}

}

以上代碼運(yùn)行結(jié)果：

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

從運(yùn)行結(jié)果可以看出實(shí)例變量額hashCode值一致，這說明對象是同一個，餓漢式單例實(shí)現(xiàn)了。

2、懶漢式單例

懶漢式單例是指在方法調(diào)用獲取實(shí)例時才創(chuàng)建實(shí)例，因?yàn)橄鄬︷I漢式顯得“不急迫”，所以被叫做“懶漢模式”。下面是實(shí)現(xiàn)代碼：

package org.mlinge.s02;

public class MySingleton {

private static MySingleton instance = null;

private MySingleton(){}

public static MySingleton getInstance() {

if(instance == null){//懶漢式

instance = new MySingleton();

}

return instance;

}

}

這里實(shí)現(xiàn)了懶漢式的單例，但是熟悉多線程并發(fā)編程的朋友應(yīng)該可以看出，在多線程并發(fā)下這樣的實(shí)現(xiàn)是無法保證實(shí)例實(shí)例唯一的，甚至可以說這樣的失效是完全錯誤的，下面我們就來看一下多線程并發(fā)下的執(zhí)行情況，這里為了看到效果，我們對上面的代碼做一小點(diǎn)修改：

package org.mlinge.s02;

public class MySingleton {

private static MySingleton instance = null;

private MySingleton(){}

public static MySingleton getInstance() {

try {

if(instance != null){//懶漢式

}else{

//創(chuàng)建實(shí)例之前可能會有一些準(zhǔn)備性的耗時工作

Thread.sleep(300);

instance = new MySingleton();

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

return instance;

}

}

這里假設(shè)在創(chuàng)建實(shí)例前有一些準(zhǔn)備性的耗時工作要處理，多線程調(diào)用：

package org.mlinge.s02;

public class MyThread extends Thread{

@Override

public void run() {

System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());

}

public static void main(String[] args) {

MyThread[] mts = new MyThread[10];

for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){

mts[i] = new MyThread();

}

for (int j = 0; j < mts.length; j++) {

mts[j].start();

}

}

}

執(zhí)行結(jié)果如下：

1210420568

1210420568

1935123450

1718900954

1481297610

1863264879

369539795

1210420568

1210420568

602269801

從這里執(zhí)行結(jié)果可以看出，單例的線程安全性并沒有得到保證，那要怎么解決呢？

3、線程安全的懶漢式單例

要保證線程安全，我們就得需要使用同步鎖機(jī)制，下面就來看看我們?nèi)绾我徊讲降慕鉀Q 存在線程安全問題的懶漢式單例（錯誤的單例）。

（1）、 方法中聲明synchronized關(guān)鍵字

出現(xiàn)非線程安全問題，是由于多個線程可以同時進(jìn)入getInstance()方法，那么只需要對該方法進(jìn)行synchronized的鎖同步即可：

package org.mlinge.s03;

public class MySingleton {

private static MySingleton instance = null;

private MySingleton(){}

public synchronized static MySingleton getInstance() {

try {

if(instance != null){//懶漢式

}else{

//創(chuàng)建實(shí)例之前可能會有一些準(zhǔn)備性的耗時工作

Thread.sleep(300);

instance = new MySingleton();

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

return instance;

}

}

此時任然使用前面驗(yàn)證多線程下執(zhí)行情況的MyThread類來進(jìn)行驗(yàn)證，將其放入到org.mlinge.s03包下運(yùn)行，執(zhí)行結(jié)果如下：

1689058373

1689058373

1689058373

1689058373

1689058373

1689058373

1689058373

1689058373

1689058373

1689058373

從執(zhí)行結(jié)果上來看，問題已經(jīng)解決了，但是這種實(shí)現(xiàn)方式的運(yùn)行效率會很低。同步方法效率低，那我們考慮使用同步代碼塊來實(shí)現(xiàn)：

（2）、 同步代碼塊實(shí)現(xiàn)

package org.mlinge.s03;

public class MySingleton {

private static MySingleton instance = null;

private MySingleton(){}

//public synchronized static MySingleton getInstance() {

public static MySingleton getInstance() {

try {

synchronized (MySingleton.class) {

if(instance != null){//懶漢式

}else{

//創(chuàng)建實(shí)例之前可能會有一些準(zhǔn)備性的耗時工作

Thread.sleep(300);

instance = new MySingleton();

}

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

return instance;

}

}

這里的實(shí)現(xiàn)能夠保證多線程并發(fā)下的線程安全性，但是這樣的實(shí)現(xiàn)將全部的代碼都被鎖上了，同樣的效率很低下。

（3）、 針對某些重要的代碼來進(jìn)行單獨(dú)的同步（可能非線程安全）

針對某些重要的代碼進(jìn)行單獨(dú)的同步，而不是全部進(jìn)行同步，可以極大的提高執(zhí)行效率，我們來看一下：

package org.mlinge.s04;

public class MySingleton {

private static MySingleton instance = null;

private MySingleton(){}

public static MySingleton getInstance() {

try {?

if(instance != null){//懶漢式

}else{

//創(chuàng)建實(shí)例之前可能會有一些準(zhǔn)備性的耗時工作

Thread.sleep(300);

synchronized (MySingleton.class) {

instance = new MySingleton();

}

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

return instance;

}

}

此時同樣使用前面驗(yàn)證多線程下執(zhí)行情況的MyThread類來進(jìn)行驗(yàn)證，將其放入到org.mlinge.s04包下運(yùn)行，執(zhí)行結(jié)果如下：

1481297610

397630378

1863264879

1210420568

1935123450

369539795

590202901

1718900954

1689058373

602269801

從運(yùn)行結(jié)果來看，這樣的方法進(jìn)行代碼塊同步，代碼的運(yùn)行效率是能夠得到提升，但是卻沒能保住線程的安全性?？磥磉€得進(jìn)一步考慮如何解決此問題。

（4）、 Double Check Locking 雙檢查鎖機(jī)制（推薦）

為了達(dá)到線程安全，又能提高代碼執(zhí)行效率，我們這里可以采用DCL的雙檢查鎖機(jī)制來完成，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

package org.mlinge.s05;

public class MySingleton {

//使用volatile關(guān)鍵字保其可見性

volatile private static MySingleton instance = null;

private MySingleton(){}

public static MySingleton getInstance() {

try {?

if(instance != null){//懶漢式

}else{

//創(chuàng)建實(shí)例之前可能會有一些準(zhǔn)備性的耗時工作

Thread.sleep(300);

synchronized (MySingleton.class) {

if(instance == null){//二次檢查

instance = new MySingleton();

}

}

}

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

return instance;

}

}

將前面驗(yàn)證多線程下執(zhí)行情況的MyThread類放入到org.mlinge.s05包下運(yùn)行，執(zhí)行結(jié)果如下：

369539795

369539795

369539795

369539795

369539795

369539795

369539795

369539795

369539795

369539795

從運(yùn)行結(jié)果來看，該中方法保證了多線程并發(fā)下的線程安全性。

這里在聲明變量時使用了volatile關(guān)鍵字來保證其線程間的可見性；在同步代碼塊中使用二次檢查，以保證其不被重復(fù)實(shí)例化。集合其二者，這種實(shí)現(xiàn)方式既保證了其高效性，也保證了其線程安全性。

4、使用靜態(tài)內(nèi)置類實(shí)現(xiàn)單例模式

DCL解決了多線程并發(fā)下的線程安全問題，其實(shí)使用其他方式也可以達(dá)到同樣的效果，代碼實(shí)現(xiàn)如下：

package org.mlinge.s06;

public class MySingleton {

//內(nèi)部類

private static class MySingletonHandler{

private static MySingleton instance = new MySingleton();

}

private MySingleton(){}

public static MySingleton getInstance() {

return MySingletonHandler.instance;

}

}

以上代碼就是使用靜態(tài)內(nèi)置類實(shí)現(xiàn)了單例模式，這里將前面驗(yàn)證多線程下執(zhí)行情況的MyThread類放入到org.mlinge.s06包下運(yùn)行，執(zhí)行結(jié)果如下：

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

從運(yùn)行結(jié)果來看，靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)的單例在多線程并發(fā)下單個實(shí)例得到了保證。

5、序列化與反序列化的單例模式實(shí)現(xiàn)

靜態(tài)內(nèi)部類雖然保證了單例在多線程并發(fā)下的線程安全性，但是在遇到序列化對象時，默認(rèn)的方式運(yùn)行得到的結(jié)果就是多例的。

代碼實(shí)現(xiàn)如下：

package org.mlinge.s07;

import java.io.Serializable;

public class MySingleton implements Serializable {

private static final long serialVersionUID = 1L;

//內(nèi)部類

private static class MySingletonHandler{

private static MySingleton instance = new MySingleton();

}

private MySingleton(){}

public static MySingleton getInstance() {

return MySingletonHandler.instance;

}

}

序列化與反序列化測試代碼：

package org.mlinge.s07;

import java.io.File;

import java.io.FileInputStream;

import java.io.FileNotFoundException;

import java.io.FileOutputStream;

import java.io.IOException;

import java.io.ObjectInputStream;

import java.io.ObjectOutputStream;

public class SaveAndReadForSingleton {

public static void main(String[] args) {

MySingleton singleton = MySingleton.getInstance();

File file = new File("MySingleton.txt");

try {

FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);

ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);

oos.writeObject(singleton);

fos.close();

oos.close();

System.out.println(singleton.hashCode());

} catch (FileNotFoundException e) {

e.printStackTrace();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

}

try {

FileInputStream fis = new FileInputStream(file);

ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);

MySingleton rSingleton = (MySingleton) ois.readObject();

fis.close();

ois.close();

System.out.println(rSingleton.hashCode());

} catch (FileNotFoundException e) {

e.printStackTrace();

} catch (IOException e) {

e.printStackTrace();

} catch (ClassNotFoundException e) {

e.printStackTrace();

}

}

}

運(yùn)行以上代碼，得到的結(jié)果如下：

865113938

1442407170

從結(jié)果中我們發(fā)現(xiàn)，序列號對象的hashCode和反序列化后得到的對象的hashCode值不一樣，說明反序列化后返回的對象是重新實(shí)例化的，單例被破壞了。那怎么來解決這一問題呢？

解決辦法就是在反序列化的過程中使用readResolve()方法，單例實(shí)現(xiàn)的代碼如下：

package org.mlinge.s07;

import java.io.ObjectStreamException;

import java.io.Serializable;

public class MySingleton implements Serializable {

private static final long serialVersionUID = 1L;

//內(nèi)部類

private static class MySingletonHandler{

private static MySingleton instance = new MySingleton();

}

private MySingleton(){}

public static MySingleton getInstance() {

return MySingletonHandler.instance;

}

//該方法在反序列化時會被調(diào)用，該方法不是接口定義的方法，有點(diǎn)兒約定俗成的感覺

protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {

System.out.println("調(diào)用了readResolve方法！");

return MySingletonHandler.instance;

}

}

再次運(yùn)行上面的測試代碼，得到的結(jié)果如下：

865113938

調(diào)用了readResolve方法！

865113938

從運(yùn)行結(jié)果可知，添加readResolve方法后反序列化后得到的實(shí)例和序列化前的是同一個實(shí)例，單個實(shí)例得到了保證。

6、使用static代碼塊實(shí)現(xiàn)單例

靜態(tài)代碼塊中的代碼在使用類的時候就已經(jīng)執(zhí)行了，所以可以應(yīng)用靜態(tài)代碼塊的這個特性的實(shí)現(xiàn)單例設(shè)計模式。

package org.mlinge.s08;

public class MySingleton{

private static MySingleton instance = null;

private MySingleton(){}

static{

instance = new MySingleton();

}

public static MySingleton getInstance() {

return instance;

}

}

測試代碼如下：

package org.mlinge.s08;

public class MyThread extends Thread{

@Override

public void run() {

for (int i = 0; i < 5; i++) {

System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());

}

}

public static void main(String[] args) {

MyThread[] mts = new MyThread[3];

for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){

mts[i] = new MyThread();

}

for (int j = 0; j < mts.length; j++) {

mts[j].start();

}

}

}

運(yùn)行結(jié)果如下：

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

1718900954

從運(yùn)行結(jié)果看，單例的線程安全性得到了保證。

7、使用枚舉數(shù)據(jù)類型實(shí)現(xiàn)單例模式

枚舉enum和靜態(tài)代碼塊的特性相似，在使用枚舉時，構(gòu)造方法會被自動調(diào)用，利用這一特性也可以實(shí)現(xiàn)單例：

package org.mlinge.s09;

public enum EnumFactory{

?? ?singletonFactory;

?? ?private MySingleton instance;

?? ?private EnumFactory(){//枚舉類的構(gòu)造方法在類加載是被實(shí)例化

?? ??? ?instance = new MySingleton();

?? ?}

?? ?public MySingleton getInstance(){

?? ??? ?return instance;

?? ?}

}

class MySingleton{//需要獲實(shí)現(xiàn)單例的類，比如數(shù)據(jù)庫連接Connection

?? ?public MySingleton(){}

}

測試代碼如下：

package org.mlinge.s09;

public class MyThread extends Thread{

@Override

public void run() {

System.out.println(EnumFactory.singletonFactory.getInstance().hashCode());

}

public static void main(String[] args) {

MyThread[] mts = new MyThread[10];

for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){

mts[i] = new MyThread();

}

for (int j = 0; j < mts.length; j++) {

mts[j].start();

}

}

}

執(zhí)行后得到的結(jié)果：

1481297610

1481297610

1481297610

1481297610

1481297610

1481297610

1481297610

1481297610

1481297610

1481297610

運(yùn)行結(jié)果表明單例得到了保證，但是這樣寫枚舉類被完全暴露了，據(jù)說違反了“職責(zé)單一原則”，那我們來看看怎么進(jìn)行改造呢。

8、完善使用enum枚舉實(shí)現(xiàn)單例模式

不暴露枚舉類實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的封裝代碼如下：

package org.mlinge.s10;

public class ClassFactory{

private enum MyEnumSingleton{

singletonFactory;

private MySingleton instance;

private MyEnumSingleton(){//枚舉類的構(gòu)造方法在類加載是被實(shí)例化

instance = new MySingleton();

}

public MySingleton getInstance(){

return instance;

}

}

public static MySingleton getInstance(){

return MyEnumSingleton.singletonFactory.getInstance();

}

}

class MySingleton{//需要獲實(shí)現(xiàn)單例的類，比如數(shù)據(jù)庫連接Connection

public MySingleton(){}

}

驗(yàn)證單例實(shí)現(xiàn)的代碼如下：

package org.mlinge.s10;

public class MyThread extends Thread{

@Override

public void run() {

System.out.println(ClassFactory.getInstance().hashCode());

}

public static void main(String[] args) {

MyThread[] mts = new MyThread[10];

for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){

mts[i] = new MyThread();

}

for (int j = 0; j < mts.length; j++) {

mts[j].start();

}

}

}

驗(yàn)證結(jié)果：

1935123450

1935123450

1935123450

1935123450

1935123450

1935123450

1935123450

1935123450

1935123450

1935123450

驗(yàn)證結(jié)果表明，完善后的單例實(shí)現(xiàn)更為合理。

以上就是本文要介紹的所有單例模式的實(shí)現(xiàn)，相信認(rèn)真閱讀的讀者都已經(jīng)明白文章開頭所引入的那幾個問題了，祝大家讀得開心:-D！

---------------------

作者：mlinge-奮斗吧

來源：CSDN

原文：https://blog.csdn.net/cselmu9/article/details/51366946

版權(quán)聲明：本文為博主原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請附上博文鏈接！