浅谈单例模式

 什么是单例模式

单例模式，是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中，应用该模式的一个类只有一个实例。即一个类只有一个对象实例。

在《设计模式》中，是这样来说明单例模式的：“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。”

单例模式的优点

– 由于单例模式只生成一个实例,减少了系统性能开销,当一个对象的产生需要比较多的资源时,如读取配置、产生其他依赖对象时,则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象,然后永久驻留内存的方式来解决

– 单例模式可以在系统设置全局的访问点,优化环共享资源访问,例如可以设计一个单例类,负责所有数据表的映射处理

常见的五种单例模式实现方式

– 主要:

• 饿汉式(线程安全,调用效率高,不能延时加载。)

• 懒汉式(线程安全,调用效率不高,可以延时加载。)

– 其他:

• 双重检测锁式(基于懒汉式的优化版本)

• 静态内部类式(线程安全,调用效率高,可以延时加载)

• 枚举单例(线程安全,调用效率高,不能延时加载)

饿汉式实现(单例对象立即加载)

代码如下：

public class SingletonDemo {
    private static SingletonDemo sd = new SingletonDemo();
    //私有化构造器
    private SingletonDemo(){} 
    
    public static SingletonDemo getInstance(){
        return s;
    }
}

说明：

• 饿汉式单例模式代码中,static变量会在类装载时初始化,此时也不会涉及多个线程对象访问该对象的问题。虚拟机保证只会装载一次该类,肯定不会发生并发访问的问题

• 如果只是加载本类,而不是要调用getInstance(),甚至永远没有调用,则会造成资源浪费

懒汉式实现(单例对象延迟加载)

代码如下：

public class SingletonDemo {
    private static SingletonDemo s;
    //私有化构造器
    private SingletonDemo(){} 
    public static synchronized SingletonDemo getInstance(){
        if(s==null){
            s = new SingletonDemo();
        }
        return s;
    }
}

说明：

• 实现延迟加载，在真正使用对象的时候才加载对象

• 资源利用率高了。但是,每次调用getInstance()方法都要同步,并发效率较低。

双重检测锁实现

代码如下：

public class SingletonDemo { 
    private static SingletonDemo instance = null; 
    public static SingletonDemo getInstance() { 
        if (instance == null) { 
            synchronized (SingletonDemo.class) {          
                if (instance == null) { 
                    //unsafe
                    instance = new SingletonDemo();
                } 
            } 
        } 
        return instance; 
    } 
    private SingletonDemo() { 
    }    
}

说明：

• 这个模式将同步内容下方到if内部，提高了执行的效率，不必每次获取对象时都进行同步，只有第一次才同步，创建了以后就没必要了。

• 由于编译器优化原因和JVM底层内部模型原因，偶尔会出问题：

实例化对象的那行代码（标记为unsafe的那行），实际上可以分解成以下三个步骤：

• 分配内存空间

• 初始化对象

• 将对象指向刚分配的内存空间

但是有些编译器为了性能的原因，可能会将第二步和第三步进行重排序，顺序就成了：

• 分配内存空间

• 将对象指向刚分配的内存空间

• 初始化对象

在并***况下，就可能出现两个线程同时调用getInstance创建对象，线程A先调用该方法，线程A创建单例对象，由于重排序的影响，线程A创建的对象分配了内存空间但尚未被初始化，此时线程B调用该方法，检查到instance不为空，就直接调用未初始化完成的对象，导致错误。

对于这种情况应该这么解决：

public class SingletonDemo { 
    private volatile static SingletonDemo instance = null; 
    public static SingletonDemo getInstance() { 
        if (instance == null) { 
            synchronized (SingletonDemo.class) {          
                if (instance == null) { 
                    //safe
                    instance = new SingletonDemo();
                } 
            } 
        } 
        return instance; 
    } 
    private SingletonDemo() { 
    }    
}

说明：使用了volatile关键字后，重排序被禁止，所有的写（write）操作都将发生在读（read）操作之前。至此，双重检查锁就可以完美工作了

静态内部类实现方式(也是一种懒加载方式)

代码如下：

public class SingletonDemo {
    
    private static class SingletonClassInstance { 
        private static final SingletonDemo instance = new SingletonDemo(); 
    } 
    public static SingletonDemo getInstance() { 
        return SingletonClassInstance.instance; 
    } 
    private SingletonDemo() { 
    } 
}

说明：

• 外部类没有static属性，则不会像饿汉式那样立即加载对象。

• 只有真正调用getInstance(),才会加载静态内部类。加载类时是线程 安全的。 instance是static final类型，保证了内存中只有这样一个实例存在，而且只能被赋值一次，从而保证了线程安全性.

• 兼备了并发高效调用和延迟加载的优势！

枚举实现单例模式

代码如下：

public enum SingletonDemo {
     /**
     * 定义一个枚举的元素，它就代表了Singleton的一个实例。
     */
    INSTANCE;
    /**
     * 单例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation(){
        //功能处理
    }
}

说明：

• 实现简单

• 枚举本身就是单例模式。由JVM从根本上提供保障！避免通过反射和反序列化的漏洞！（通过序列化和反序列化可破解上面几种单例模式）

• 无延迟加载

常见应用场景：

• Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式

• windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。

• 项目中，读取配置文件的类，一般也只有一个对象。没有必要每次使用配置文件数据，每次new一个对象去读取。

• 网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。

• 应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。

• 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。

• 操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。

• Application 也是单例的典型应用

• 在Spring中，每个Bean默认就是单例的，这样做的优点是Spring容器可以管理

• 在servlet编程中，每个Servlet也是单例

• 在spring MVC框架框架中，控制器对象也是单例

性能测试

在多线程环境下的效率测试:

单例模式选择

单例对象占用资源少，不需要延时加载：枚举式（优先），饿汉式

单例对象占用资源 大，需要延时加载：静态内部类式，双重检测锁式，懒汉式（效率低于前面两种）