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  • 设计模式:单例(Sigleton)模式

    题目:设计一个类,我们只能生成该类的一个实例。 只能生成一个实例的类是实现了Singleton(单例)模式的类型。

    相关知识:

    这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

    注意:

    • 1、单例类只能有一个实例。
    • 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
    • 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

    介绍

    意图:保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。

    主要解决:一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

    何时使用:当您想控制实例数目,节省系统资源的时候。

    如何解决:判断系统是否已经有这个单例,如果有则返回,如果没有则创建。

    关键代码:构造函数是私有的

    应用实例:

    • 1、一个班级只有一个班主任。
    • 2、Windows 是多进程多线程的,在操作一个文件的时候,就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象,所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
    • 3、一些设备管理器常常设计为单例模式,比如一个电脑有两台打印机,在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件

    使用场景:

    • 1、要求生产唯一序列号。
    • 2、WEB 中的计数器,不用每次刷新都在数据库里加一次,用单例先缓存起来。
    • 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多,比如 I/O 与数据库的连接等。

    创建步骤:

    1、创建一个单例类Singleton

    2、让构造函数为私有private,这样该类就不会被实列化

    3、提供一个static方法获取其唯一可用的对象。

    实现1:懒汉式,线程不安全

    /*
     * 1、懒汉式,线程不安全
     * 是否 Lazy 初始化:是
     * 是否多线程安全:否
     * 实现难度:易
     * 描述:这种方式是最基本的实现方式,这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized,所以严格意义上它并不算单例模式。
     * 这种方式 lazy loading 很明显,不要求线程安全,在多线程不能正常工作。
     **/
    public class Singleton1 {
        private static Singleton1 instance; 
        
        private Singleton1(){}  //让构造函数为 private,这样该类就不会被实例化
        
        //获取唯一可用的对象
        public static Singleton1 getInstance(){
            if(instance == null){
                instance = new Singleton1(); //创建 Singleton 的一个对象
            }
            return instance;
        }
    }

    实现2:懒汉式,线程安全

    /*
     * 2、懒汉式,线程安全
     * 是否 Lazy 初始化:是
     * 是否多线程安全:是
     * 实现难度:易
     * 描述:这种方式具备很好的 lazy loading,能够在多线程中很好的工作,但是,效率很低,99% 情况下不需要同步。
     * 优点:第一次调用才初始化,避免内存浪费。
     * 缺点:必须加锁 synchronized 才能保证单例,但加锁会影响效率。
     * getInstance() 的性能对应用程序不是很关键(该方法使用不太频繁)。
     * */
    public class Singleton2 {
        private static Singleton2 instance;
        private Singleton2(){}
        
        public static synchronized Singleton2 getInstance(){
            if(instance == null){
                instance = new Singleton2();
            }
            return instance;
        }
    }

    实现3:饿汉式

    /*
     * 3、饿汉式
     * 是否 Lazy 初始化:否
     * 是否多线程安全:是
     * 实现难度:易
     * 描述:这种方式比较常用,但容易产生垃圾对象。
     * 优点:没有加锁,执行效率会提高。
     * 缺点:类加载时就初始化,浪费内存。
     * 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 lazy loading 的效果。
     * */
    public class Singleton3 {
        private static Singleton3 instance = new Singleton3();
        private Singleton3(){}
        
        public static Singleton3 getInstance(){
            return instance;
        }
    }

    实现4:双检锁/双重校验锁

    /*
     * 4、双检锁/双重校验锁(DCL,即 double-checked locking)
     * JDK 版本:JDK1.5 起
     * 是否 Lazy 初始化:是
     * 是否多线程安全:是
     * 实现难度:较复杂
     * 描述:这种方式采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。
     * getInstance() 的性能对应用程序很关键。
     * */
    public class Singleton4 {
        private volatile static Singleton4 singleton;
        private Singleton4(){}
        
        public static Singleton4 getSingleton(){
            if(singleton == null){
                synchronized (Singleton.class){
                    if(singleton == null){
                        singleton = new Singleton4();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }
    }

    实现5:登记式/静态内部类

    /*
     * 5、登记式/静态内部类
     * 是否 Lazy 初始化:是
     * 是否多线程安全:是
     * 实现难度:一般
     * 描述:这种方式能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单。
     * 对静态域使用延迟初始化,应使用这种方式而不是双检锁方式。
     * 这种方式只适用于静态域的情况,双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
     * 这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,它跟第 3 种方式不同的是:
     * 第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了,那么 instance 就会被实例化(没有达到 lazy loading 效果),
     * 而这种方式是 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。
     * 因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有通过显式调用 getInstance 方法时,才会显式装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。
     * 想象一下,如果实例化 instance 很消耗资源,所以想让它延迟加载,另外一方面,又不希望在 Singleton 类加载时就实例化,
     * 因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载,那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候,这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。
     * */
    public class Singleton5 {
        private static class SingletonHolder{
            private static final Singleton5 INSTANCE = new Singleton5();
        }
        private Singleton5(){}
        
        public static final Singleton5 getInstance(){
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
    }

    实现6:枚举

    /*
     * 6、枚举
     * JDK 版本:JDK1.5 起
     * 是否 Lazy 初始化:否
     * 是否多线程安全:是
     * 实现难度:易
     * 描述: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。
     * 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式,它不仅能避免多线程同步问题,
     * 而且还自动支持序列化机制,防止反序列化重新创建新的对象,绝对防止多次实例化。
     * 不过,由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性,用这种方式写不免让人感觉生疏,在实际工作中,也很少用。
     * 不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。
     * */
    public enum Singleton6 {
        INSTANCE;
        public void whateverMethod(){
            
        }
    }

    经验之谈:一般情况下,不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式,建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时,才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时,可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求,可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

     应用

    在JDK中,java.lang.Runtime就是经典的单例模式(饿汉式)

    参考与推荐:

    1、http://www.blogjava.net/kenzhh/archive/2016/03/28/357824.html

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