设计模式——单例模式详解

news2024/9/23 11:17:15

目录

  • 设计模式类型
  • 单例模式
    • 单例模式方式
      • 饿汉式
        • 静态常量方式
        • 静态代码块形式
      • 懒汉式
        • 线程不安全（不推荐）
        • 懒汉式优化（不推荐）
      • 双重检查（推荐方式）
      • 静态内部类（推荐方式）
      • 枚举方式（推荐方式）
  • 单例模式在JDK中的使用
  • 单例模式注意事项和细节说明
    • 单例模式的使用场景

设计模式类型

设计模式分为三种类型，共23种

  • 创建型模式： 单例模式，抽象工厂模式，原型模式，建造者模式，工厂模式
  • 结构性模式： 适配器模式，桥接模式，装饰模式，组合模式，外观模式，享元模式，代理模式
  • 行为型模式： 模板方法模式，命令模式，访问者模式，迭代器模式，观察者模式，中介者模式，备忘录模式，解释器模式，状态模式，策略模式，责任链模式

单例模式

所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个系统中，对某个类 只能存在一个对象实例，并且该类值提供一个取得对象实例的方法（静态方法）

单例模式方式

饿汉式

静态常量方式
package 单例模式.饿汉式;

/**
 * @author Han
 * @data 2023/10/27
 * @apiNode
 */
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        Obj obj1 = Obj.getObj();
        Obj obj2 = Obj.getObj();
        // 因为是单例模式所以这两个对象是同一个，所以返回true
        System.out.println(obj1 == obj2);

    }
}

class Obj {
    // 创建一个私有的静态对象
    private final static Obj obj = new Obj();

    // 将构造方法私有化
    private Obj() {

    }

    // 提供静态公共方法将这个对象返回
    public static Obj getObj() {
        return obj;
    }

}
静态代码块形式
package 单例模式.饿汉式;

/**
 * 静态代码块方式
 *
 * @author Han
 * @data 2023/10/27
 * @apiNode
 */
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Obj2 obj21 = Obj2.getObj();
        Obj2 obj22 = Obj2.getObj();
        // 因为是单例模式所以这两个对象是同一个，所以返回true
        System.out.println(obj21 == obj22);

    }
}

class Obj2 {
    // 声明一个私有的静态对象
    private static Obj2 obj2;

    static {
        // 在静态代码块中创建对象
        obj2 = new Obj2();
    }
    // 将构造方法私有化
    private Obj2() {

    }
    // 提供静态公共方法将这个对象返回
    public static Obj2 getObj() {
        return obj2;
    }

}

优缺点说明：

  • 优点：写法简单，在类装载是完成实例化，避免了线程同步问题
  • 却爱：在类转载的时候就完成实例化，没有达到lazy loading的效果，如果从始至终都没有用过这个实例，则会造成内存的浪费
  • 这种法方式居于classloder机制避免了多线程的同步问题，不过 obj是在类装载是就实例化了，在单例模式中大多都是调用getObj方法
  • 结论：这种单例模式可用，可能会造成内存浪费

懒汉式

线程不安全（不推荐）
package 单例模式.懒汉式;

/**
 * 这种方式是线程不安全的
 * 原因在于在多线程状态下，if判断条件，
 * 可以能会出现第一个对象还未创建，第二个线程就去判断
 * 而发生创建多个对象的情况
 * @author Han
 * @data 2023/10/27
 * @apiNode
 */
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        Obj obj1 = Obj.getObj();
        Obj obj2 = Obj.getObj();
        System.out.println(obj1 == obj2);
    }
}
class Obj {
    // 声明一个静态对象
    private static Obj obj;
    // 私有化构造函数
    private Obj() {}
    // 提供获取单例对象的方法
    public static Obj getObj(){
        // 如果还没有创建对象再去创建，不会发生内存的浪费
        if (obj == null) {
            obj = new Obj();
        }
        return obj;
    }
}

优缺点说明

  • 起到了lazy loading的效果，但是只能在单线程下使用
  • 如果在多线程下使用，一个线程进入了if（obi == null）判断语句块，还未来的及王往下执行，另一个线程也通过这个判断语句，这是会发生创建多个实例的错误，所以在多线程环境下不能使用
  • 结论：在实际开发中，不要使用这种方式
懒汉式优化（不推荐）

优化，加同步方法，解决线程不安全问题 存在效率问题，

package 单例模式.懒汉式;

/**
 * 这种方式虽然解决了线程安全问题
 * 但是效率很低
 * @author Han
 * @data 2023/10/27
 * @apiNode
 */
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Obj2 obj1 = Obj2.getObj();
        Obj2 obj2 = Obj2.getObj();
        System.out.println(obj1 == obj2);
    }
}

class Obj2 {
    // 声明一个静态对象
    private static Obj2 obj;
    // 私有化构造函数
    private Obj2() {}
    // 提供获取单例对象的方法
    // 加入了同步处理的代码，解决线程安全问题
    public static synchronized Obj2 getObj(){
        // 如果还没有创建对象再去创建，不会发生内存的浪费
        if (obj == null) {
            obj = new Obj2();
        }
        return obj;
    }
}

优缺点说明

  • 解决了线程安全问题
  • 效率太低，每个线程在获得类的实例的时候，执行getObj方法都要进行同步，但是这个方法只需要执行一次实例化代码就够了，后面想要获取该实例直接return就行了，方法进行同步效率太低
  • 结论：在实际开发中，不推荐使用这中方式

双重检查（推荐方式）

package 单例模式.双重检查;

import com.sun.org.apache.xpath.internal.operations.Variable;

/**
 * 双重检查
 * 解决线程安全问题，并且支持懒加载
 *
 * @author Han
 * @data 2023/10/27
 * @apiNode
 */
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        Obj obj1 = Obj.getObj();
        Obj obj2 = Obj.getObj();
        System.out.println(obj1 == obj2);
    }
}

class Obj {
    // 声明一个静态对象
    //  并且使Obj的对象的改变立即更新到内存，在下面的双重检查中判断是否为nul
    private static volatile Obj obj;

    // 私有化构造函数
    private Obj() {
    }

    // 提供获取单例对象的方法
    public static Obj getObj() {
        // 如果还没有创建对象再去创建，不会发生内存的浪费
        if (obj == null) {
            // 同步代码块
            synchronized (Obj.class) {
                // 再一次检查是否为null
                if (obj == null) {
                    obj = new Obj();
                }
            }
        }
        return obj;
    }
}

优缺点说明

  • 双重检查概念是多线程开发中常用到的，如代码中所示，我们进行了两次if (obj == null )的检查，这样就可以保证线程安全
  • 这样，实例化代码也只执行一次，后面再次访问时，判断if 直接return实例化对象，也避免了反复进行方法同步
  • 线程安全，延迟加载，效率较高
  • 结论：在开发中，推荐使用这种单例设计模式

静态内部类（推荐方式）

package 单例模式.静态内部类;

import com.sun.org.apache.xpath.internal.operations.Variable;

/**
 * 静态内部类
 *
 * @author Han
 * @data 2023/10/27
 * @apiNode
 */
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        Obj obj1 = Obj.getObj();
        Obj obj2 = Obj.getObj();
        System.out.println(obj1 == obj2);
    }
}

class Obj {

    // 私有化构造函数
    private Obj() {
    }

    // 使用静态内部类
    public static Obj getObj() {
        // 使用静态内部类中属性
        // 类加载时是线程安全的
        return StaticObj.OBJ;
    }

    // 静态内部类在类加载时不会马上加载，解决懒加载
    // 只有使用到静态内部类中的属性时，静态内部类才会加载
    static class StaticObj {
        private static final Obj OBJ = new Obj();
    }
}

说明

  • 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
  • 静态内部类方式在Obj类被装载时不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getObj方法时，才会装载StaticObj类，从而完成Obj的实例化
  • 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
  • 优点；避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现懒加载，效率高，
  • 结论：推荐使用

枚举方式（推荐方式）

package 单例模式.枚举方式;

enum Type {

    INSTANCE,
    USER("小韩", 12, "学生");

    String name;
    String job;
    int i;

    Type(String name, int i, String job) {
        this.i = i;
        this.job = job;
        this.name = name;
    }

    Type() {
    }

    public void sayOk() {
        System.out.println("ok");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Type{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", job='" + job + '\'' +
                ", i=" + i +
                '}';
    }
}

/**
 * @author Han
 * @data 2023/10/28
 * @apiNode
 */
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Type instance = Type.INSTANCE;
        Type instance2 = Type.INSTANCE;
        Type user1 = Type.USER;
        Type user2 = Type.USER;
        System.out.println(Type.INSTANCE);
        System.out.println(Type.USER);
        System.out.println(instance == instance2); // true
        System.out.println(user2 == user1); // true
    }
}

优点说明

  • 借助了JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式，不仅能避免多线程问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象
  • 这种方式推荐使用

单例模式在JDK中的使用

image-20231028131029096

单例模式注意事项和细节说明

  • 单例模式保障了系统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
  • 当想实例化一个单例对象的使用，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new

单例模式的使用场景

  • 需要频繁的进行创建和销毁对象
  • 创建对象是耗时过多或者耗费资源过多，但是又经常使用到的对象，工厂类对象
  • 频繁访问数据库或文件的对象（比如数据源，session工厂等）

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