單例模式的五種實現方式及優缺點

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當我們需要使得某個類只能有一個實例時，可以使用單例模式。

單例模式（Singleton Design Pattern）保證一個類只能有一個實例，並提供一個全局訪問點。

單例模式的實現需要三個必要的條件：

  1. 單例類的構造函數必須是私有的，這樣才能將類的創建權控制在類的內部，從而使得類的外部不能創建類的實例。
  2. 單例類通過一個私有的靜態變量來存儲其唯一實例。
  3. 單例類通過提供一個公開的靜態方法，使得外部使用者可以訪問類的唯一實例。

注意：
因為單例類的構造函數是私有的，所以單例類不能被繼承。

另外，實現單例類時，還需要考慮三個問題：

  • 創建單例對象時，是否線程安全。
  • 單例對象的創建，是否延時加載。
  • 獲取單例對象時，是否需要加鎖（鎖會導致低性能）。

下面介紹五種實現單例模式的方式。

1，餓漢式

餓漢式的單例實現比較簡單，其在類加載的時候，靜態實例instance 就已創建並初始化好了。

代碼如下：

public class Singleton { 
  private static final Singleton instance = new Singleton();
  
  private Singleton () {}
  
  public static Singleton getInstance() {
    return instance;
  }
}

餓漢式單例優缺點：

  • 優點：
    • 單例對象的創建是線程安全的；
    • 獲取單例對象時不需要加鎖。
  • 缺點：單例對象的創建，不是延時加載。

一般認為延時加載可以節省內存資源。但是延時加載是不是真正的好，要看實際的應用場景，而不一定所有的應用場景都需要延時加載。

2，懶漢式

與餓漢式對應的是懶漢式，懶漢式為了支持延時加載，將對象的創建延遲到了獲取對象的時候，但為了線程安全，不得不為獲取對象的操作加鎖，這就導致了低性能。

並且這把鎖只有在第一次創建對象時有用，而之後每次獲取對象，這把鎖都是一個累贅（雙重檢測對此進行了改進）。

代碼如下：

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

    return instance;  
  }
}

懶漢式單例優缺點：

  • 優點：
    • 對象的創建是線程安全的。
    • 支持延時加載。
  • 缺點：獲取對象的操作被加上了鎖，影響了並發度。
    • 如果單例對象需要頻繁使用，那這個缺點就是無法接受的。
    • 如果單例對象不需要頻繁使用，那這個缺點也無傷大雅。

3，雙重檢測

餓漢式和懶漢式的單例都有缺點，雙重檢測的實現方式解決了這兩者的缺點。

雙重檢測將懶漢式中的 synchronized 方法改成了 synchronized 代碼塊。如下：

public class Singleton { 
  private static Singleton instance;
  
  private Singleton () {}
  
  public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) { // 注意這裡是類級別的鎖
        if (instance == null) {       // 這裡的檢測避免多線程並發時多次創建對象
          instance = new Singleton();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
}

這種實現方式在 Java 1.4 及更早的版本中有些問題，就是指令重排序，可能會導致 Singleton 對象被 new 出來，並且賦值給 instance 之後，還沒來得及初始化，就被另一個線程使用了。

要解決這個問題，需要給 instance 成員變量加上 volatile 關鍵字，從而禁止指令重排序。

而高版本的 Java 已在 JDK 內部解決了這個問題，所以高版本的 Java 不需要關注這個問題。

雙重檢測單例優點：

  • 對象的創建是線程安全的。
  • 支持延時加載。
  • 獲取對象時不需要加鎖。

4，靜態內部類

用靜態內部類的方式實現單例類，利用了Java 靜態內部類的特性：

  • Java 加載外部類的時候，不會創建內部類的實例，只有在外部類使用到內部類的時候才會創建內部類實例。

代碼如下：

public class Singleton { 
  private Singleton () {}

  private static class SingletonInner {
    private static final Singleton instance = new Singleton();
  }
  
  public static Singleton getInstance() {
    return SingletonInner.instance;
  }
}

SingletonInner 是一個靜態內部類，當外部類 Singleton 被加載的時候，並不會創建 SingletonInner 實例對象。

只有當調用 getInstance() 方法時，SingletonInner 才會被加載，這個時候才會創建 instance。instance 的唯一性、創建過程的線程安全性，都由 JVM 來保證。

靜態內部類單例優點：

  • 對象的創建是線程安全的。
  • 支持延時加載。
  • 獲取對象時不需要加鎖。

5，枚舉

用枚舉來實現單例，是最簡單的方式。這種實現方式通過 Java 枚舉類型本身的特性，保證了實例創建的線程安全性和實例的唯一性。

public enum Singleton {
  INSTANCE; // 該對象全局唯一
}

6，多例模式

上面介紹了5 種單例模式的實現方式，下面作為對單例模式的擴展，再來介紹一下多例模式以及線程間唯一的單例模式。先來看下多例模式。

單例模式是指，一個類只能創建一個對象。那麼多例模式就是，一個類可以創建多個對象，但是對象個數可以控制。

對於多例模式，我們可以將類的實例都編上號，然後將實例存放在一個 Map 中。

代碼如下：

public class MultiInstance {
    // 實例編號
    private long instanceNum;

    // 用於存放實例
    private static final Map<Long, MultiInstance> ins = new HashMap<>();

    static {
        // 存放 3 個實例
        ins.put(1L, new MultiInstance(1));
        ins.put(2L, new MultiInstance(2));
        ins.put(3L, new MultiInstance(3));
    }

    private MultiInstance(long n) {
        this.instanceNum = n;
    }

    public MultiInstance getInstance(long n) {
        return ins.get(n);
    }
}

實際上，Java 中的枚舉就是一個「天然」的多例模式，其中的每一項代表一個實例，如下：

public enum MultiInstance {
    ONE,
    TWO,
    THREE;
}

7，線程唯一的單例

一般情況下，我們所說的單例的作用範圍是進程唯一的，就是在一個進程範圍內，一個類只允許創建一個對象，進程內的多個線程之間也是共享同一個實例。

實際上，在Java 中，每個類加載器都定義了一個命名空間。所以我們這裡實現的單例是依賴類加載器的，也就是在同一個類加載器中，我們實現的單例就是真正的單例模式。否則如果有多個類加載器，就會有多個單例出現了。一個解決辦法是：自行指定類加載器，並且指定同一個類加載器。

那麼線程唯一的單例就是，一個實例只能被一個線程擁有，一個進程內的多個線程擁有不同的類實例。

我們同樣可以用 Map 來實現，代碼如下：

public class ThreadSingleton {
    private static final ConcurrentHashMap<Long, ThreadSingleton> instances
            = new ConcurrentHashMap<>();

    private ThreadSingleton() {}

    public static ThreadSingleton getInstance() {
        Long id = Thread.currentThread().getId();
        instances.putIfAbsent(id, new ThreadSingleton());
        return instances.get(id);
    }
}

8，使用場景

單例模式可以用來管理一些共享資源，比如數據庫連接池，線程池；解決資源衝突問題，比如日誌打印。節省內存空間，比如配置信息類。

（本節完。）

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