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QiShunwang

“诚信为本、客户至上”

面试高频-吃透单例设计模式

2020/12/28 19:59:37   来源:

文章目录

      • 单例设计模式
        • 单例设计模式的介绍
        • 单例模式的实现
          • 饿汉式(静态常量)
          • 饿汉式(静态代码块)
          • 懒汉式(线程不安全)
          • 懒汉式(线程安全1)
          • 懒汉式(线程安全2)
          • 双重检查
          • 静态内部类
          • 枚举
          • 单例模式在jdk源码中的分析
        • 单例模式注意事项
        • **单例模式的应用场景**
        • 单例模式优缺点分析

单例设计模式

单例设计模式的介绍

所谓类的单例设计模式,就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中,对某个类只能存在一个对象实例, 并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。

比如 HibernateSessionFactory,它充当数据存储源的代理,并负责创建 Session 对象。SessionFactory并不是轻量级的,一般情况下,一个项目通常只需要一个 SessionFactory就够,这是就会使用到单例模式。

单例模式的3个特点

  1. 单例类只有一个实例对象;
  2. 该单例对象必须由单例类自行创建;
  3. 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。

类图

1609052315402

单例模式的实现

单例模式有八种方式:

  1. 饿汉式**(**静态常量)
  2. 饿汉式(静态代码块)
  3. 懒汉式(线程不安全)
  4. 懒汉式(线程安全,同步方法)
  5. 懒汉式(线程安全,同步代码块)
  6. 双重检查
  7. 静态内部类
  8. 枚举
饿汉式(静态常量)

代码实现

public class Singleton01 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton=Singleton.getInstance();
        Singleton singleton1=Singleton.getInstance();
//        判断获取的两个实例是否是同一个实例
        System.out.println(singleton == singleton1);//true
//        从哈希码方面判断,也是同一个对象
        System.out.println(singleton.hashCode());
        System.out.println(singleton1.hashCode());
    }
}


//饿汉式,使用静态变量
class Singleton{
//    1 提供一个私有的构造方法,外部不可以new
    private Singleton(){

    }
//    2 提供一个对象实例
    private  final static Singleton instance=new Singleton();
//    提供一个共有的静态方法,用于返回实例对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }

优缺点说明

优点:

  1. 这种写法比较简单,就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点:

  1. 在类装载的时候就完成实例化,没有达到Lazy Loading(懒加载)的效果。如果从始至终从未使用过这个实例,则会造成内存的浪费
  2. 这种方式基于 classloder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,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法, 但是导致类装载的原因有很多种,因此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 就没有达到lazy loading的效果

结论:这种单例模式可用,可能造成内存浪费

饿汉式(静态代码块)

代码实现

public class Singleton02 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton1 singleton=Singleton1.getInstance();
        Singleton1 singleton1=Singleton1.getInstance();
//        判断获取的两个实例是否是同一个实例
        System.out.println(singleton == singleton1);//true
//        从哈希码方面判断,也是同一个对象
        System.out.println(singleton.hashCode());
        System.out.println(singleton1.hashCode());
    }
}

//饿汉式,使用静态变量
class Singleton1{
    //    1 提供一个私有的构造方法,外部不可以new
    private Singleton1(){

    }
    //    2 提供一个对象实例
    private  final static Singleton1 instance;
//    把单例对象的创建放在静态代码块中
    static {
        instance=new Singleton1();
    }
    //    提供一个共有的静态方法,用于返回实例对象
    public static Singleton1 getInstance(){
        return instance;
    }
}

优缺点分析

  1. 这种方式和上面的方式其实类似,只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中,也是在类装载的时候,就执行静态代码块中的代码,初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

结论:这种单例模式可用,但是可能造成内存浪费(单例对象被创建,但是又没有使用的情况下)

懒汉式(线程不安全)

代码实现

public class Singleton03Test {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton2 singleton=Singleton2.getInstance();
        Singleton2 singleton1=Singleton2.getInstance();
//        判断获取的两个实例是否是同一个实例
        System.out.println(singleton == singleton1);//true
//        从哈希码方面判断,也是同一个对象
        System.out.println(singleton.hashCode());
        System.out.println(singleton1.hashCode());
    }
}

class Singleton2{
    private static Singleton2 instance;
//    创建私有的构造方法
    private Singleton2(){}

//    对外提供一个共有的方法,当需要单例对象的时候,才创建对象,既懒汉式
    public static Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null){
            instance=new Singleton2();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点分析

  1. 起到了 Lazy Loading 的效果,但是只能在单线程下使用。
  2. 如果在多线程下,一个线程进入了 if (singleton == null)判断语句块,还未来得及往下执行,另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式

结论:在实际开发中,不要使用这种方式.

懒汉式(线程安全1)

代码实现

public class Singleton03Test {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton2 singleton=Singleton2.getInstance();
        Singleton2 singleton1=Singleton2.getInstance();
//        判断获取的两个实例是否是同一个实例
        System.out.println(singleton == singleton1);//true
//        从哈希码方面判断,也是同一个对象
        System.out.println(singleton.hashCode());
        System.out.println(singleton1.hashCode());
    }
}

class Singleton2{
    private static Singleton2 instance;
//    创建私有的构造方法
    private Singleton2(){}

//    对外提供一个共有的方法,当需要单例对象的时候,才创建对象,既懒汉式
//    添加同步锁,解决线程安全问题
    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null){
            instance=new Singleton2();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点分析

  1. 解决了线程安全问题
  2. 效率太低了,每个线程在想获得类的实例时候,执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了,后面的想获得该类实例,直接return就行了。方法进行同步效率太低

结论:在实际开发中,不推荐使用这种方式

懒汉式(线程安全2)

代码实现

public class Singleton03Test {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton2 singleton=Singleton2.getInstance();
        Singleton2 singleton1=Singleton2.getInstance();
//        判断获取的两个实例是否是同一个实例
        System.out.println(singleton == singleton1);//true
//        从哈希码方面判断,也是同一个对象
        System.out.println(singleton.hashCode());
        System.out.println(singleton1.hashCode());
    }
}

class Singleton2{
    private static Singleton2 instance;
//    创建私有的构造方法
    private Singleton2(){}

//    对外提供一个共有的方法,当需要单例对象的时候,才创建对象,既懒汉式
//    添加同步锁,解决线程安全问题
    public static  Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null){
           synchronized (Singleton2.class){
               instance=new Singleton2();
           }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点

  • 这种实现方式不能不能起到线程同步的作用,

结论:在实际开发中,不推荐使用这种方式

双重检查

代码实现

public class Singleton04Test {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton5 singleton5=Singleton5.getInstance();
        Singleton5 singleton51=Singleton5.getInstance();
        System.out.println(singleton5 == singleton51);// true

    }
}

class Singleton5{
//    volatile关键字,保证对内存可见,也就是对象一旦改变。他会把这种改变立即同步到内存中
    private static volatile Singleton5 instance;

//    私有的构造方法
    private Singleton5(){}

//加入双重检查的代码,解决线程安全问题,同时解决懒加载问题
    public static Singleton5 getInstance(){
        if(instance == null){//只要单例对象不空,其余的线程就不会做线程安全同步的检测,提高效率
//            下面的操作是原子操作
            synchronized (Singleton5.class){//解决线程安全问题
                if(instance == null){
                    instance=new Singleton5();//懒加载问题
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

优缺点分析

  1. Double-Check概念是多线程开发中常使用到的,如代码中所示,我们进行了两次 if (singleton == null)检查,这样就可以保证线程安全了。
  2. 这样,实例化代码只用执行一次,后面再次访问时,判断 if (singleton == null),直接 return 实例化对象,也避免的反复进行方法同步.
  3. 线程安全;延迟加载;效率较高

结论:在实际开发中,推荐使用这种单例设计模式

静态内部类

静态内部类的特点:当静态内部类的外部类被装载的时候,静态内部类并不会被装载

在调用静态内部类的静态对象的时候,会导致静态内部类进行装载,并且装载时是线程安全的。因此不会有线程安全性问题。所以通过静态内部类,可以保证懒加载,还可以保证线程安全问题。

代码说明

public class Singleton05Test {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton6 singleton6=Singleton6.getInstance();
        Singleton6 singleton61=Singleton6.getInstance();
        System.out.println(singleton6 == singleton61);

    }
}


//推荐使用
class Singleton6{

    private Singleton6(){}

//    静态内部类
    private static class SingletonInstance{
        private static final Singleton6 INSTANCE=new Singleton6();
    }
//    提供一个静态方法,直接返回属性INSTANCE
    public static Singleton6 getInstance(){
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }

}

优缺点

  1. 这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
  2. 静态内部类方式在Singleton6 类被装载时并不会立即实例化,而是在需要实例化时,调用 getInstance 方法,才会装载 SingletonInstance类,从而完成 Singleton的实例化。
  3. 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,所以在这里,JVM帮助我们保证了线程的安全性,在类进行初始化时,别的线程是无法进入的。
  4. 优点:避免了线程不安全,利用静态内部类特点实现延迟加载,效率高

结论:推荐使用.

枚举

代码说明

public class Singleton06Test {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton7 singleton7=Singleton7.INSTANCE;
        Singleton7 singleton71=Singleton7.INSTANCE;
        System.out.println(singleton7 == singleton71);//true
        singleton7.method();//say hello

    }
}

enum Singleton7{
    INSTANCE;// 属性
    public void method(){
        System.out.println("say hello");
    }
}

优缺点

  1. 这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题,而且还能防止反序列化重新创建新的对象。
  2. 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式

结论:推荐使用

单例模式在jdk源码中的分析

源码分析

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}//私有构造
}

Runtime实际上使用的是饿汉式

单例模式注意事项

  1. 单例模式保证了 系统内存中该类只存在一个对象,节省了系统资源,对于一些需要频繁创建销毁的对象,使用单例模式可以提高系统性能
  2. 当想实例化一个单例类的时候,必须要记住使用相应的获取对象的方法,而不是使用 new
  3. 单例模式使用的场景:需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即:重量级对象),但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象(比如数据源、session 工厂等)

单例模式的应用场景

对于 Java来说,单例模式可以保证在一个 JVM 中只存在单一实例。单例模式的应用场景主要有以下几个方面。

  • 需要频繁创建的一些类,使用单例可以降低系统的内存压力,减少 GC。
  • 某类只要求生成一个对象的时候,如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
  • 某些类创建实例时占用资源较多,或实例化耗时较长,且经常使用。
  • 某类需要频繁实例化,而创建的对象又频繁被销毁的时候,如多线程的线程池、网络连接池等。
  • 频繁访问数据库或文件的对象。
  • 对于一些控制硬件级别的操作,或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作,如果有多个实例,则系统会完全乱套。
  • 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象,共享该对象可以节省内存,并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。

单例模式优缺点分析

优点

  • 单例模式可以保证内存里只有一个实例,减少了内存的开销。
  • 可以避免对资源的多重占用。
  • 单例模式设置全局访问点,可以优化和共享资源的访问。

缺点

  • 单例模式一般没有接口,扩展困难。如果要扩展,则除了修改原来的代码,没有第二种途径,违背开闭原则。
  • 在并发测试中,单例模式不利于代码调试。在调试过程中,如果单例中的代码没有执行完,也不能模拟生成一个新的对象。
  • 单例模式的功能代码通常写在一个类中,如果功能设计不合理,则很容易违背单一职责原则。