单例模式
单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。
单例模式是一种创建型设计模式,它确保一个类只有一个实例,并提供了一个全局访问点来访问该实例。
注意:
- 1、单例类只能有一个实例。
- 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
- 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
概要
单例模式(Singleton Pattern)
意图
确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点来访问该实例。
主要解决
频繁创建和销毁全局使用的类实例的问题。
何时使用
当需要控制实例数目,节省系统资源时。
如何解决
检查系统是否已经存在该单例,如果存在则返回该实例;如果不存在则创建一个新实例。
关键代码
构造函数是私有的。
应用实例
- 一个班级只有一个班主任。
- Windows 在多进程多线程环境下操作文件时,避免多个进程或线程同时操作一个文件,需要通过唯一实例进行处理。
- 设备管理器设计为单例模式,例如电脑有两台打印机,避免同时打印同一个文件。
优点
- 内存中只有一个实例,减少内存开销,尤其是频繁创建和销毁实例时(如管理学院首页页面缓存)。
- 避免资源的多重占用(如写文件操作)。
缺点
- 没有接口,不能继承。
- 与单一职责原则冲突,一个类应该只关心内部逻辑,而不关心实例化方式。
使用场景
- 生成唯一序列号。
- WEB 中的计数器,避免每次刷新都在数据库中增加计数,先缓存起来。
- 创建消耗资源过多的对象,如 I/O 与数据库连接等。
注意事项
- 线程安全:
getInstance()
方法中需要使用同步锁synchronized (Singleton.class)
防止多线程同时进入造成实例被多次创建。 - 延迟初始化:实例在第一次调用
getInstance()
方法时创建。 - 序列化和反序列化:重写
readResolve
方法以确保反序列化时不会创建新的实例。 - 反射攻击:在构造函数中添加防护代码,防止通过反射创建新实例。
- 类加载器问题:注意复杂类加载环境可能导致的多个实例问题。
结构
单例模式包含以下几个主要角色:
- 单例类:包含单例实例的类,通常将构造函数声明为私有。
- 静态成员变量:用于存储单例实例的静态成员变量。
- 获取实例方法:静态方法,用于获取单例实例。
- 私有构造函数:防止外部直接实例化单例类。
- 线程安全处理:确保在多线程环境下单例实例的创建是安全的。
实现
我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。
SingleObject 类提供了一个静态方法,供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。
步骤 1
创建一个 Singleton 类。
SingleObject.java
步骤 2
从 singleton 类获取唯一的对象。
SingletonPatternDemo.java
步骤 3
执行程序,输出结果:
Hello World!
单例模式的几种实现方式
单例模式的实现有多种方式,如下所示:
1、懒汉式,线程不安全
是否 Lazy 初始化:是
是否多线程安全:否
实现难度:易
描述:这种方式是最基本的实现方式,这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized,所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显,不要求线程安全,在多线程不能正常工作。
实例
接下来介绍的几种实现方式都支持多线程,但是在性能上有所差异。
2、懒汉式,线程安全
是否 Lazy 初始化:是
是否多线程安全:是
实现难度:易
描述:这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作,但是,效率很低,99% 情况下不需要同步。
优点:第一次调用才初始化,避免内存浪费。
缺点:必须加锁 synchronized 才能保证单例,但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键(该方法使用不太频繁)。
实例
3、饿汉式
是否 Lazy 初始化:否
是否多线程安全:是
实现难度:易
描述:这种方式比较常用,但容易产生垃圾对象。
优点:没有加锁,执行效率会提高。
缺点:类加载时就初始化,浪费内存。
它基于 classloader 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,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法, 但是也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 显然没有达到 lazy loading 的效果。
实例
4、双检锁/双重校验锁(DCL,即 double-checked locking)
JDK 版本:JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化:是
是否多线程安全:是
实现难度:较复杂
描述:这种方式采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。
实例
5、登记式/静态内部类
是否 Lazy 初始化:是
是否多线程安全:是
实现难度:一般
描述:这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单。对静态域使用延迟初始化,应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况,双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,它跟第 3 种方式不同的是:第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了,那么 instance 就会被实例化(没有达到 lazy loading 效果),而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有通过显式调用 getInstance 方法时,才会显式装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。想象一下,如果实例化 instance 很消耗资源,所以想让它延迟加载,另外一方面,又不希望在 Singleton 类加载时就实例化,因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候,这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。
实例
6、枚举
JDK 版本:JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化:否
是否多线程安全:是
实现难度:易
描述:这种实现方式还没有被广泛采用,但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁,自动支持序列化机制,绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式,它不仅能避免多线程同步问题,而且还自动支持序列化机制,防止反序列化重新创建新的对象,绝对防止多次实例化。不过,由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性,用这种方式写不免让人感觉生疏,在实际工作中,也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。
实例
经验之谈:一般情况下,不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式,建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时,才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求,可以考虑使用第 4 种双检锁方式。
呆的全世界疯狂
197***4949@qq.com
懒汉式与饿汉式的根本区别在与是否在类内方法外创建自己的对象。
并且声明对象都需要私有化,构造方法都要私有化,这样外部才不能通过 new 对象的方式来访问。
饿汉式的话是声明并创建对象(因为他饿),懒汉式的话只是声明对象,在调用该类的 getinstance() 方法时才会进行 new 对象。
呆的全世界疯狂
197***4949@qq.com
deed
jwd***@qq.com
单例模式中的饿汉模式
deed
jwd***@qq.com
FingerTipDancer
usa***shington@qq.com
反射机制破解单例模式(枚举除外):
如何避免以上的漏洞:
FingerTipDancer
usa***shington@qq.com
FingerTipDancer
usa***shington@qq.com
反序列化机制破解单例模式(枚举除外):
如何避免实现序列化单例模式的漏洞:
FingerTipDancer
usa***shington@qq.com
逆光影者
248***1388@qq.com
登记式单例模式是对一组单例模式进行的维护, 保证 map 中的对象是同一份 Spring 中使用的就是类似的模式:
逆光影者
248***1388@qq.com
卡卡
wuj***e1023@163.com
通过枚举创建单例模式:
卡卡
wuj***e1023@163.com
mcl
979***991@qq.com
其实还有一种饿汉模式的变种:
在准备阶段 LazyModel 就已经完成创建,所以可以直接使用。
mcl
979***991@qq.com
Bob
104***7013@qq.com
双检锁/双重校验锁,需要增加 volatile 关键字,禁止指令重排序:
Bob
104***7013@qq.com
RUNOOB
429***967@qq.com
在单例模式中,类负责创建自己的唯一实例,并确保在整个应用程序中只有一个实例存在。这通常是通过将类的构造函数设置为私有的来实现的,从而防止外部代码创建该类的实例。类提供一个静态方法或属性,允许其他对象访问该唯一实例。
下面是一个常见的单例模式的示例(使用懒汉式实现):
在上面的示例中,Singleton 类的构造函数被设置为私有的,因此其他类无法直接实例化它。通过静态方法 getInstance(),我们可以获取 Singleton 类的唯一实例。在首次调用 getInstance() 方法时,会创建一个新的实例,而后续调用将返回该已创建的实例。
然而,上述示例的懒汉式实现存在线程安全性问题。如果多个线程同时调用 getInstance() 方法,可能会创建多个实例。为了解决这个问题,可以使用双重检查锁定或者静态内部类实现等线程安全的方式。
除了懒汉式,还有饿汉式、静态内部类、枚举等实现单例模式的方式。每种方式都有其优缺点,选择适合特定场景的实现方式很重要。
需要注意的是,单例模式在某些情况下可能会引入全局状态,使得代码难以测试和维护。因此,在使用单例模式时,需慎重考虑其对代码结构和可测试性的影响,确保其真正满足设计需求。
RUNOOB
429***967@qq.com