单例模式属于创建型设计模式。
确保一个类只有一个实例,并提供该实例的全局访问点。
实现: 使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。
类图:
私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例,只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。
下面的实现中,私有静态变量 uniqueInstance
被延迟实例化,这样做的好处是,如果没有用到该类,那么就不会实例化 uniqueInstance
,从而节约资源。
这个实现在多线程环境下是不安全的,如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null)
,并且此时 uniqueInstance == null
,那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton();
语句,这将导致实例化多次 uniqueInstance
。
// 懒汉式: 线程不安全
// 有延迟加载: 不是在类加载的时候就创建了,而是在调用newStance()的时候才会创建
public class Singleton {
private static Singleton uniqueInstance;
private Singleton(){
}
public static Singleton newInstance(){
if(uniqueInstance == null)
uniqueInstance = new Singleton();
return uniqueInstance;
}
}
为了解决上面的问题,我们可以直接在newInstance()
方法上面直接加上一把synchronized
同步锁。那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法,从而避免了实例化多次 uniqueInstance
。
但是当一个线程进入该方法之后,其它试图进入该方法的线程都必须等待,即使 uniqueInstance
已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长,因此该方法有性能问题,不推荐使用。
public static synchronized Singleton newInstance(){//在上面的基础上加了synchronized
if(uniqueInstance == null)
uniqueInstance = new Singleton();
return uniqueInstance;
}
饿汉式就是 : 采取直接实例化 uniqueInstance
的方式,这样就不会产生线程不安全问题。
这种方式比较常用,但容易产生垃圾对象(丢失了延迟实例化(lazy loading
)带来的节约资源的好处)。
它基于 classloader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,虽然导致类装载的原因有很多种,在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法, 但是也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 显然没有达到 lazyloading 的效果。
public class Singleton {
// 急切的创建了uniqueInstance, 所以叫饿汉式
private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
private Singleton(){
}
public static Singleton newInstance(){
return uniqueInstance;
}
// 瞎写一个静态方法。这里想说的是,如果我们只是要调用 Singleton.getStr(...),
// 本来是不想要生成 Singleton 实例的,不过没办法,已经生成了
public static String getStr(String str) {return "hello" + str;}
}
uniqueInstance
只需要被实例化一次,之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行,只有当 uniqueInstance
没有被实例化时,才需要进行加锁。
双重校验锁先判断 uniqueInstance
是否已经被实例化,如果没有被实例化,那么才对实例化语句进行加锁。
// 双重加锁
public class Singleton {
// 和饿汉模式相比,这边不需要先实例化出来
// 注意这里的 volatile,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
private volatile static Singleton uniqueInstance;
private Singleton() {
}
public static Singleton newInstance() {
if (uniqueInstance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
// 这一次判断也是必须的,不然会有并发问题
if (uniqueInstance == null) {
uniqueInstance = new Singleton();
}
}
}
return uniqueInstance;
}
}
注意,内层的第二次
if (uniqueInstance == null) {
也是必须的,如果不加: 也就是只使用了一个 if 语句。在uniqueInstance == null
的情况下,如果两个线程都执行了 if 语句,那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作,但是两个线程都会执行uniqueInstance = new Singleton();
这条语句,只是先后的问题,那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁,也就是需要使用两个 if 语句。
volatile
关键字修饰也是很有必要的, uniqueInstance = new Singleton();
这段代码其实是分为三步执行:
- 1)、为
uniqueInstance
分配内存空间; - 2)、初始化
uniqueInstance
; - 3)、将
uniqueInstance
指向分配的内存地址;
但是由于 JVM 具有指令重排的特性,执行顺序有可能变成 1>3>2
。指令重排在单线程环境下不会出现问题,但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如,线程 T1
执行了 1 和 3,此时 T2
调用 newInstance()
后发现 uniqueInstance
不为空,因此返回 uniqueInstance
,但此时 uniqueInstance
还未被初始化。
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。
当 Singleton
类加载时,静态内部类 Holder 没有被加载进内存。只有当调用 newInstance()
方法从而触发 Holder.uniqueInstance
时 Holder
才会被加载,此时初始化 uniqueInstance
实例,并且 JVM 能确保 uniqueInstance
只被实例化一次。
这种方式不仅具有延迟初始化的好处,而且由 JVM 提供了对线程安全的支持。
这种方式是 Singleton 类被装载了,
uniqueInstance
不一定被初始化。因为Holder
s 类没有被主动使用,只有通过显式调用newInstance()
方法时,才会显式装载 Holder 类,从而实例化uniqueInstance
。
public class Singleton {
private Singleton() {
}
// 主要是使用了 嵌套类可以访问外部类的静态属性和静态方法 的特性
// 很多人都会把这个嵌套类说成是静态内部类,严格地说,内部类和嵌套类是不一样的,它们能访问的外部类权限也是不一样的。
private static class Holder {
private static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();
}
public static Singleton newInstance() {
return Holder.uniqueInstance;
}
}
这种实现方式还没有被广泛采用,但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁,自动支持序列化机制,绝对防止多次实例化。
该实现在多次序列化再进行反序列化之后,不会得到多个实例。而其它实现需要使用 transient
修饰所有字段,并且实现序列化和反序列化的方法。
枚举实现单例 (+测试):
public class Singleton {
private Singleton() {
}
public static Singleton newInstance() {
return Sing.INSTANCE.newInstance();
}
private enum Sing {
INSTANCE;
private Singleton singleton;
//jvm guarantee only run once
Sing() {
singleton = new Singleton();
}
public Singleton newInstance() {
return singleton;
}
}
public static int clientTotal = 1000;
public static int threadTotal = 200;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
Set<Singleton>set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());//注意set也要加锁
for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
executorService.execute(() -> {
try {
semaphore.acquire();
set.add(Singleton.newInstance());
semaphore.release();
} catch (Exception e) {
}
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
System.out.println(set.size());//1
}
}
关于序列化和反序列化:
public enum Singleton {
INSTANCE;
private String name;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
测试:
public class Test {
public static void main(String[] args){
// 单例测试
Singleton s1 = Singleton.INSTANCE;
s1.setName("firstName");
System.out.println("s1.getName(): " + s1.getName());
Singleton s2 = Singleton.INSTANCE;
s2.setName("secondName");
//注意我这里输出s1 ,但是已经变成了 secondName
System.out.println("s1.getName(): " + s1.getName());
System.out.println("s2.getName(): " + s2.getName());
System.out.println("-----------------");
// 反射获取实例测试
Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
for (Singleton enumConstant : enumConstants)
System.out.println(enumConstant.getName());
}
}
输出:
s1.getName(): firstName
s1.getName(): secondName
s2.getName(): secondName
-----------------
secondName
该实现可以防止反射攻击。在其它实现中,通过
setAccessible()
(反射中的强制访问私有属性方法) 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public,然后调用构造函数从而实例化对象,如果要防止这种攻击,需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次,因此不会出现上述的反射攻击。
一般情况下,不建议使用懒汉方式,建议使用饿汉方式。
只有在要明确实现 lazy loading
效果时,才会使用静态内部类方式。
如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用枚举方式。
如果有其他特殊的需求,可以考虑使用双检锁方式。