常见单例模式详解

news2024/11/29 14:41:54

单例模式是23种设计模式中应用最广的模式之一，其定义：确保某一个类只有一个实例，而且自行实实例化并向整个系统通过这个实例。其类图如下：

通俗来说，单例模式就是用于创建那些在软件系统中独一无二的对象。在一个软件系统中，往往无需创建多个实例。举个大家熟悉的例子— Windows任务管理器。有兴趣的可以试下，按住Ctrl + Alt + Del然后在弹出的界面中选择任务管理器或者在菜单栏右键弹出菜单上多次点击启动任务管理器，你会发现，无论启动多少次，Windows系统只会弹出一个任务管理器窗口，这是日常生活最常见的单例模式应用之一。采用单例模式可以避免产生多个对象而导致消耗过多的资源问题，比如要进行IO访问操作或便利查询数据库等，这时单例模式就是一个较好的解决方案。

实现方式

1、构造方法属性改为private；
2、通过一个静态方法返回一个全局单例类对象；
3、在系统中无论何种情况下或在子线程中，单例对象都只有一个，不会重复创建单例对象。

而根据其实现方式细节不同，又可分为以下几种：

饿汉式

public class Singletion {

    private Singletion() {

    }
    
    private static final Singletion mInstance = new Singletion();

    public static Singletion getInstance() {
        return mInstance;
    }
}

此方式在声明静态对象时就初始化（在类装载（ClassLoader）时就构建，也可以说预先加载），通过static关键字修饰静态变量，将其存储在内存中，确保只有一份数据。
而final关键字，使得只初始化一次，所以mInstance实例只有一个。

此方式线程安全，由于在类加载的同时就已经创建好一个静态对象，所以调用时耗时短、速度快（优点）。
但也有可能getInstance()永远不会执行，但执行该类的其他静态方法或者加载了该类（class.forName)，那么这个类仍然会初始化，可能会浪费资源（缺点）。

懒汉式

public class Singletion {
    
    private  Singletion() {}

    private static Singletion mInstance;

    public static synchronized Singletion getInstance() {
        if (mInstance == null) {
            mInstance = new Singletion();
        }
        return mInstance;
    }
}

该类在调用getInstance的时候（使用）才初始化，但这里加了synchronized关键字，就变成了一个同步方法。相较于饿汉式的“空间换时间”特点,懒汉式是“时间换空间”。
由于在使用时才会进行实例化，可以说节省了系统资源（优点）；
但每次调用getInstance都会同步一次，浪费系统资源（缺点）。

双重检测加锁方式

public class Singletion {

    private Singletion() {}

    private volatile static Singletion mInstance;
    
    public static Singletion getInstance() {
        if (mInstance == null) {
            synchronized (Singletion.class) {                
                if (mInstance == null) {
                    mInstance = new Singletion ();                
                }
            }
        }
        return mInstance;
    }
}

这里使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行（指令重排单线程环境不会出问题，但是多线程场景下会导致一个线程获得还没有初始化的实例），举个例子：

...
private static Singletion mInstance;
private Singletion() {}
public static Singletion getInstance() {...}
...

由于JVM是可以乱序执行方法的，上面三句方法在执行过程可能出现下面场景：
如果A线程执行getInstance(),还没执行构造方法Singletion()，此时B线程调用getInstance()，因为A线程已经执行了getInstance()，所以mInstance不为空就直接获取到实例，由于B线程直接获取，而真实情况是A线程构造方法还未执行，所以mInstance就为空了。
虽然概率较小，但也有可能发生，故JDK自1.6开始加入volatile关键字，虽然必不可免的会消耗一些性能。

此方式资源利用率高，不执行getInstance()就不会被实例，可以执行该类的其他静态方法（优点）；
但同时也存在第一次加载时较慢，多线程使用会有不必要的同步开销的问题（缺点）。

静态内部类方式

class Singletion {
    private Singletion() {
    }

    private static class SingletonLoader {
        static Singletion mInstance = new Singletion();
    }

    public static Singletion getInstance() {
        return SingletonLoader.mInstance;
    }
}

此类在调用getInstance的时候才初始化，调用getInstance才会去加载SingletonLoader类，确保了线程安全、单例的唯一性。
由此可见，这种写法不执行getInstance()则不被实例化，可以执行该类其他静态方法，避免资源浪费（优点）；
但第一次加载速度肯定不够快（缺点）。