设计模式之单例模式

Singleton pattern
创建型设计模式之一。

定义

单例模式确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例,这个类称为单例类,它提供全局访问的方法。

单例模式的要点有三个:一是某个类只能有一个实例;二是它必须自行创建这个实例;三是它必须自行向整个系统提供这个实例。单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。

使用场景

确保某个类有且只有一个对象的场景,避免产生多个对象消耗过多的资源,或者某种类型的对象只应该有且只有一个。例如,创建一个对象需要消耗的资源过多,如要访问IO和数据库等资源,这时就要考虑使用单例模式。

实现

单例可以通过饿汉模式,懒汉模式,懒汉线程安全模式,DCL,静态内部类和枚举来实现。

饿汉模式

实现如下:

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public class Singleton {

public static final Singleton instance = new Singleton();

private Singleton() {
}

public static Singleton getInstance() {
return instance;
}

}

缺点就是一开始就加载instance,应该用懒加载模式,减少程序初始化时候的压力,所以就产生了下面的懒汉模式。

懒汉模式

实现如下:

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public class Singleton {

public static Singleton instance;

private Singleton() {
}

public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}

}

在单线程下没有问题,但是多线程就会出现不同步的问题,所以我们修改获取实例方法:

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public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}

或者:

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

虽然同步了,但是每次调用该方法获取实例的时候都会同步,造成不必要的同步开销,性能略低。

DCL(Double CheckLock)

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public class Singleton{
private static Singleton instance;
private Singleton(){}

public static Singleton getInstance(){
if(instance==null){
synchronized(Singleton.class){
if(instance==null)
instance=new Singelton();
}
}
return instance;
}

}

第一次判断null,减少不必要的同步,但是还是有点问题:instance=new Singleton()有时会失效,因为这并不是一个原子操作,这句代码最终会被编译成多条汇编指定,会执行三件事:

  1. 给Singleton的实例分配内存;
  2. 调用Singleton()的构造函数,初始化成员字段;
  3. 将instance对象指向分配的内存空间(此时instance就不是null了);

在JDK低于1.6的情况下,2和3可能会颠倒,一旦颠倒,就会出错。所以用volatile解决指定重排问题:private volatile static Singleton instance;

静态内部类

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public class Singleton{

private Singleton(){}

public static Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.instance;
}

private static class SingletonHolder{
private static final Singleton instance=new Singleton();
}
}

首先,SingletonHolder只有在调用getInstance()的方法的时候才会调用;然后final保证了instance的唯一性,即解决了同步的问题,也解决了synchronized所带来的线程性能的问题。推荐使用。

枚举

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public enum SingletonEnum {
INSTANCE;

public void doSomething() {
}

}

写法简单,枚举实例的创建也是线程安全的。推荐使用。

总结

优点:

  • 提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例,所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它,并为设计及开发团队提供了共享的概念。
  • 由于在系统内存中只存在一个对象,因此可以节约系统资源,对于一些需要频繁创建和销毁的对象,单例模式无疑可以提高系统的性能。
  • 允许可变数目的实例。我们可以基于单例模式进行扩展,使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。

缺点:

  • 由于单例模式中没有抽象层,因此单例类的扩展有很大的困难。
  • 单例类的职责过重,在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色,提供了工厂方法,同时又充当了产品角色,包含一些业务方法,将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
  • 滥用单例将带来一些负面问题,如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类,可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出;现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术,因此,如果实例化的对象长时间不被利用,系统会认为它是垃圾,会自动销毁并回收资源,下次利用时又将重新实例化,这将导致对象状态的丢失。

参考

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