设计模式之单例模式

简介: 本篇文章是设计模式专题的第一篇文章,我会将遇到的设计模式都一一总结在该专题下,我会把自己对每一种设计模式的感悟写下来,以及在实际工作中我们该如何去灵活应用这些设计模式,欢迎大家关注。本篇文章我们就来讲一讲,应用最为广泛的单例模式。

单例模式的简单介绍

单例模式很简单,就是在整个系统运行过程中,保证类的实例只有一个。

单例模式的类图如下:

单例模式类图

单例模式的具体实现思路

  • 将构造函数私有化,防止从外部通过new实例化对象
  • 在类内部生成一个实例化对象
  • 通过public类型方法返回这个唯一的实例化对象

单例模式的具体实现方案

  • 饿汉模式,通过直接给static、final修饰的内部属性赋值,然后通过静态方法返回

    该种方式可以说是一种“最优解”,它的代码最为简单、直观,而且能够保证线程安全,虽然说懒汉式能够优化饿汉式,让其在调用时才创建对象,而不是类装载时就创建对象,但是懒汉式就会带来线程不安全的问题,让人非常恼火,虽说有解决方案,但是不如饿汉式更加简单直观。懒汉式最要命的问题就是,一但通过类加载器加载,就会分配空间,如果没使用就会造成空间浪费,但是换个角度想象一下,我不使用它,我干嘛去将它装载到类加载器中。

    它可能是工作中用到最多的单例写法。

    public class Singleton {
    ​
        // 用static、final修饰
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        
        // 构造方法私有化
        private Singleton() {}
        
        // 静态方法返回该实例
        public static Singleton getInstance() {
            return INSTANCE;
        }
    }

    还有一些写法是不直接赋值,通过静态代码块赋值,效果是一样的。

  • 最安全解决方案,枚举单例

    枚举单例可能用到的会很少,但是他是单例最安全的一种实现。它不仅能够保证线程安全性,还能防止反射破坏单例,防止序列化破坏单例,但是他也是饿汉式的。

    public enum Singleton {
    ​
        // 单例对象
        INSTANCE;
        // 其它方法   
    }
  • 最完美解决方案,静态内部类 最推荐写法

    通过静态内部类创建单例模式,不但是懒汉式的,而且它通过静态初始化类也是能够避免线程安全问题的。

    public class Singleton {
    ​
        // 静态内部类
        private static class SingletonHolder {
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
        } 
        
        // 构造方法私有化
        private Singleton() {}
        
        // 静态方法返回该实例
        public static Singleton getInstance() {
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    }
  • 懒汉模式

    懒汉模式虽然写法简单直观,但是带来严重的线程安全问题。

    public class Singleton {
    ​
        // 属性
        private static Singleton instance;
        
        // 构造方法私有化
        private Singleton() {}
        
        // 静态方法返回该实例
        public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
            return instance;
        }
    }
  • DCL双重检测锁模式

    复杂,不易理解,但是能够解决懒汉式,线程不安全的问题。

    public class Singleton {
    ​
        // volatile修饰,保证原子性
        private static volatile Singleton instance;
        
        // 构造方法私有化
        private Singleton() {}
        
        // 静态方法返回该实例
        public static Singleton getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

    双重检测锁模式,还可以借助一个开关,未创建对象时打开,创建完成关闭,这样就能在一定程度上防止反射破坏单例,因为反射虽然可以忽略private,但是它并不清楚开关具体是如何实现的,字段名,开关值都不知道。

    可以这么说,双重检测锁虽然是单例中相对完美的实现,但是它的代码不易理解,并不是一种比较好的写法。

单例模式的优缺点

优点:

  • 在单例模式中,活动的实例只有一个,对单例类的所有实例化得到的都是相同的一个实例。这样就可以防止其它对象对单例类的实例化,确保所有的对象都访问同一个实例
  • 提供了对唯一实例的受控访问。
  • 由于在系统内存中只存在一个对象,因此可以节约系统资源,当需要频繁创建和销毁的对象时单例模式无疑可以提高系统的性能。
  • 避免对共享资源的多重占用。

缺点:

  • 不适用于变化的对象,如果同一类型的对象总是要在不同的场景发生变化,单例就会引起数据的错误,不能保存彼此的状态。
  • 由于单利模式没有抽象层,因此单例类的扩展很困难。
  • 单例类的职责过重,在一定程度上违背了单一职责原则

单例模式的适用场景

适用场景:

  1. 需要频繁实例化然后销毁的对象。
  2. 创建对象时耗时过多或者耗资源过多,但又经常用到的对象。
  3. 不怎么发生变化,但又经常被用到。
  4. 有状态的工具类对象。
  5. 频繁访问数据库或文件的对象。

举例:

  • 各种Manager,一般管理器都只有一个实例,如Windows的任务管理器
  • 计数器
  • 应用的配置,系统的配置
  • 共享的资源
  • 各种池化技术,数据库连接池,线程池...
  • ...

单例模式总结

通过对单例的学习,我最大的收获是,我们在使用设计模式是不要一味去追求最优的实现,能解决我们项目中的问题,并且更容易被其他人所接受,才是最好的实现。单例模式比较完备的实现方案就是我文中提到的这五种,最推荐大家使用的就是静态内部类的方式,次推荐的就是枚举和饿汉式,我认为一般的项目饿汉式带来的内存损耗微乎其微,但是如果出现并发,致使单例不再是单例,这样是我所不能接受的。双重检测锁模式,虽然也相对完美,但是写法复杂不易理解,如果忘记volatile修饰,也是无法保证线程安全问题,所以我也不是很推荐双重检测这种写法。

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