设计模式 -创建型模式之单例模式的五种实现

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单例模式(Singleton)

单例模式是在 GOF的23种设计模式里较为简单的一种,下面引用百度百科介绍:

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,应用该模式的类一个类只有一个实例。即一个类只有一个对象实例

许多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象,这样有利于我们协调系统整体的行为。比如在某个服务器程序中,该服务器的配置信息存放在一个文件中,这些配置数据由一个单例对象统一读取,然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息。这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

在Java中,确保一个类只有一个对象实例可以通过权限的修饰来实现。

单例模式 - 饿汉模式

单例模式的饿汉模式指全局的单例实例在第一次被使用时构建。
具体实现:

  // 单例模式的饿汉模式实现
  public class Singleton {
    private final static Singleton SINGLETON= new Singleton();
    // Private constructor suppresses   
    private Singleton() {}

    // default public constructor
    public static Singleton getInstance() {
        return SINGLETON;
    }
  }

在饿汉模式实现方式中,程序的主要特点是:

  1. 私有构造方法

  2. 私有静态属性,维护自身实例

  3. 静态服务方法,获取实例

  4. 初始化时候创建,消耗初始化系统资源

单例模式 - 懒汉模式 - 普通

懒汉模式,也是最常用的形式,饿汉模式让程序在初始化时候进行加载,有时为了节约资源,我们需要在需要的时候进行加载,这时候我们可以使用懒汉模式。
具体实现:

public class SingletonLayload {    
    // 私有化自身类对象
    private static SingletonLayload SINGLETON;
    // 私有化构造方法
    private SingletonLayload({}

    // 静态方法获取实例
    public static SingletonLayload getInstance({
        if(SINGLETON== null ) {
            SINGLETON= new SingletonLayload();
        }
        return SINGLETON;
    }
}

单例模式 - 懒汉模式 - 同步锁

在多线程的环境中,简单的单例模式将会出现问题,试想在上面的懒汉模式中,如果多线程并发执行getInstance(),当线程A执行到:

INSTANCE = new SingletonLayload();

却还没有执行完毕时,线程B执行到if(INSTANCE == null ),此时就无法保证单例特性。
因此在多线程环境中,单例模式需要使用同步锁确保实现真正的单例。
具体实现:

public class SingletonLayloadSyn {
    // 私有化自身类对象
    private static SingletonLayloadSyn SINGLETON;
    // 私有化构造方法
    private SingletonLayloadSyn() {}
    // 静态方法获取实例
    public static synchronized SingletonLayloadSyn getInstance() {
        if(SINGLETON == null ) {
            SINGLETON = new SingletonLayloadSyn();
        }
        return SINGLETON;
    }

}

通过在getInstance()方法上添加 synchronized 关键字可以解决多线程带来的问题。

单例模式 - 懒汉模式 - 双重校验锁

使用上面的( 多线程下 - 懒汉模式 - 同步锁)方式在解决多线程问题时虽然可以达到确保线程安全的目的,但是使用了synchronized关键字之后在需要多次调用时,会让代码的执行效率大大降低。那么有没有在确保线程安全的同时又可以兼顾效率的方法呢?
具体实现:

public class SingletonLayLoadSynDCL {
    // 私有化自身类对象
    private static SingletonLayLoadSynDCL SINGLETON;
    // 私有化构造方法
    private SingletonLayLoadSynDCL() {
    }

    public static  SingletonLayLoadSynDCL getInstance() {
        if (SINGLETON == null) {
            synchronized(SingletonLayLoadSynDCL.class) {
                SINGLETON = new SingletonLayLoadSynDCL();
            }
        }
        return SINGLETON;
    }
}

使用 synchronized 确保线程安全,在SINGLETON 为 null 时才进行创建实例,但是仍然不能 保证在实例未创建完成时候有新的线程执行到 if (SINGLETON == null);因此,仍然不够安全。
修改 getInstance()方法。
具体实现:

public class SingletonLayLoadSynDCL {
    // 私有化自身类对象
    private static SingletonLayLoadSynDCL SINGLETON;
    // 私有化构造方法
    private SingletonLayLoadSynDCL() {
    }

    // 使用双重校验锁确保线程安全的同时兼顾执行效率
    public static SingletonLayLoadSynDCL getInstance() {
        if (SINGLETON == null) { // 第一重检查
            synchronized (SingletonLayLoadSynDCL.class) {
                if (SINGLETON == null) { //第二重检查
                    SINGLETON = new SingletonLayLoadSynDCL();
                }
            }
        }
        return SINGLETON;

    }
}

看似完美的双检查模式,在理论上是没有问题的。但是在实际的情况里,有可能发生在没有构造完毕的情况下SINGLETON 引用已经不是 NULL 的情况,这时候如果有其他线程执行到if (SINGLETON == null) { // 第一重检查则会获取到一个不正确的 SINGLETON 引用。这是由于JVM 的无序写入引起的。

幸好,在 JDK1.5 之后,提供了volatile关键字,用于确保被修饰的变量的读写不允许被控制。因此修改上面具体实现为:

/**
 * <p>
 * 使用双重校验锁以及volatile关键字确保线程安全的同时兼顾执行效率
 * @author  niujinpeng
 */

public class SingletonLayLoadSynDCL {
    // 私有化自身类对象
    //  private static SingletonLayLoadSynDCL SINGLETON;
    private volatile static SingletonLayLoadSynDCL SINGLETON;
    // 私有化构造方法
    private SingletonLayLoadSynDCL() {}

    // 使用双重校验锁确保线程安全的同时兼顾执行效率
    public static SingletonLayLoadSynDCL getInstance() {
        if (SINGLETON == null) {
            synchronized (SingletonLayLoadSynDCL.class) {
                if (SINGLETON == null) {
                    SINGLETON = new SingletonLayLoadSynDCL();
                }
            }
        }
        return SINGLETON;

    }
}

单例模式 - 懒汉模式 - 内部类

除了使用上面的懒汉模式实现方式之外,在解决多线程问题中,《Effective Java》的作者给出了另外一种保证线程安全且兼顾效率的方式,利用了静态内部类以及类加载特性实现。静态内部类只有在调用时才会加载,而静态属性随着类的加载而加载,类的加载初始化只会有一次。因此保证了获取实例的唯一性。
具体实现:

package cn.snowflow.pattern.singleton;
/**
 * <p>
 * 利用静态内部类实现线程安全且兼顾效率的单例模式
 * @author  niujinpeng
 */

public class SingletonLayloadSynSafe {
    //静态内部类
    public static class SingletonHolder{
        static final SingletonLayloadSynSafe INSTANCE = 
            new SingletonLayloadSynSafe();
    }
    // 私有化构造方法
    private SingletonLayloadSynSafe() {}

    // 公有方法获取实例
    public static SingletonLayloadSynSafe getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

}

如果使用单例模式-饿汉模式,推荐【单例模式 - 饿汉模式】。
如果使用单例模式-懒汉模式,推荐【单例模式 - 懒汉模式 - 内部类 】。

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