單例模式簡介

• 意圖：保證一個類僅有一個例項，並提供一個訪問它的全域性訪問點。

• 主要解決：一個全域性使用的類頻繁地建立與銷燬。

• 何時使用：當您想控制例項數目，節省系統資源的時候。

• 如何解決：判斷系統是否已經有這個單例，如果有則返回，如果沒有則建立。

• 關鍵程式碼：建構函式是私有的。

• 應用例項：

  • 一個黨只能有一個書記。
  • Windows 是多程序多執行緒的，在操作一個檔案的時候，就不可避免地出現多個程序或執行緒同時操作一個檔案的現象，所以所有檔案的處理必須通過唯一的例項來進行。
  • 一些裝置管理器常常設計為單例模式，比如一個電腦有兩臺印表機，在輸出的時候就要處理不能兩臺印表機列印同一個檔案。

• 優點：

  • 在記憶體裡只有一個例項，減少了記憶體的開銷，尤其是頻繁的建立和銷燬例項（比如管理學院首頁頁面快取）。
  • 避免對資源的多重佔用（比如寫檔案操作）。

• 缺點：沒有介面，不能繼承，與單一職責原則衝突，一個類應該只關心內部邏輯，而不關心外面怎麼樣來例項化。

• 使用場景：

  • 要求生產唯一序列號。
  • WEB 中的計數器，不用每次重新整理都在資料庫里加一次，用單例先快取起來。
  • 建立的一個物件需要消耗的資源過多，比如 I/O 與資料庫的連線等。

• 注意事項：getInstance() 方法中需要使用同步鎖 synchronized (Singleton.class) 防止多執行緒同時進入造成 instance 被多次例項化。

• 注意：

  • 單例類只能有一個例項。
  • 單例類必須自己建立自己的唯一例項。
  • 單例類必須給所有其他物件提供這一例項。

實現

我們將建立一個 SingleObject 類。SingleObject 類有它的私有建構函式和本身的一個靜態例項。

SingleObject 類提供了一個靜態方法，供外界獲取它的靜態例項。SingletonPatternDemo，我們的演示類使用 SingleObject 類來獲取 SingleObject 物件。

• 步驟 1
  建立一個 Singleton 類。

  public class
   
   SingleObject {
   
     //建立 SingleObject 的一個物件
     private static SingleObject instance = new SingleObject();
   
     //讓建構函式為 private，這樣該類就不會被例項化
     private SingleObject(){}
   
     //獲取唯一可用的物件
     public static SingleObject getInstance(){
        return instance;
     }
   
     public void showMessage(){
        System.out.println("Hello World!");
     }
  }
  

• 步驟 2
  從 singleton 類獲取唯一的物件。

  public class SingletonPatternDemo {
     public static void main(String[] args) {
   
        //不合法的建構函式
        //編譯時錯誤：建構函式 SingleObject() 是不可見的
        //SingleObject object = new SingleObject();
   
        //獲取唯一可用的物件
        SingleObject object = SingleObject.getInstance();
   
        //顯示訊息
        object.showMessage();
     }
  }
  

• 步驟 3
  執行程式，輸出結果：

  Hello World!
  

單例模式的幾種實現方式

單例模式的實現有多種方式，如下所示：

• 懶漢式，執行緒不安全

  • 是否 Lazy 初始化：是
  • 是否多執行緒安全：否
  • 實現難度：易
  • 描述：這種方式是最基本的實現方式，這種實現最大的問題就是不支援多執行緒。因為沒有加鎖 synchronized，所以嚴格意義上它並不算單例模式。
    這種方式 lazy loading 很明顯，不要求執行緒安全，在多執行緒不能正常工作。

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

  接下來介紹的幾種實現方式都支援多執行緒，但是在效能上有所差異。

• 懶漢式，執行緒安全

  • 是否 Lazy 初始化：是
  • 是否多執行緒安全：是
  • 實現難度：易
  • 描述：這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多執行緒中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。
  • 優點：第一次呼叫才初始化，避免記憶體浪費。
  • 缺點：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。
    getInstance() 的效能對應用程式不是很關鍵（該方法使用不太頻繁）。

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

• 餓漢式

  • 是否 Lazy 初始化：否
  • 是否多執行緒安全：是
  • 實現難度：易
  • 描述：這種方式比較常用，但容易產生垃圾物件。
  • 優點：沒有加鎖，執行效率會提高。
  • 缺點：類載入時就初始化，浪費記憶體。

  它基於 classloader 機制避免了多執行緒的同步問題，不過，instance 在類裝載時就例項化，雖然導致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數都是呼叫 getInstance 方法， 但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態方法）導致類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達到 lazy loading 的效果。

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

• 雙檢鎖/雙重校驗鎖（DCL，即 double-checked locking）

  • JDK 版本：JDK1.5 起
  • 是否 Lazy 初始化：是
  • 是否多執行緒安全：是
  • 實現難度：較複雜
  • 描述：這種方式採用雙鎖機制，安全且在多執行緒情況下能保持高效能。
    getInstance() 的效能對應用程式很關鍵。

  public class Singleton {  
      private volatile static Singleton singleton;  
      private Singleton (){}  
      public static Singleton getSingleton() {  
      if (singleton == null) {  
          synchronized (Singleton.class) {  
          if (singleton == null) {  
              singleton = new Singleton();  
          }  
          }  
      }  
      return singleton;  
      }  
  }
  

• 登記式/靜態內部類

  • 是否 Lazy 初始化：是
  • 是否多執行緒安全：是
  • 實現難度：一般
  • 描述：這種方式能達到雙檢鎖方式一樣的功效，但實現更簡單。對靜態域使用延遲初始化，應使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用於靜態域的情況，雙檢鎖方式可在例項域需要延遲初始化時使用。

  這種方式同樣利用了 classloader 機制來保證初始化 instance 時只有一個執行緒，它跟第 3 種方式不同的是：第 3 種方式只要 Singleton 類被裝載了，那麼 instance 就會被例項化（沒有達到 lazy loading 效果），而這種方式是 Singleton 類被裝載了，instance 不一定被初始化。因為 SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有通過顯式呼叫 getInstance 方法時，才會顯式裝載 SingletonHolder 類，從而例項化 instance。想象一下，如果例項化 instance 很消耗資源，所以想讓它延遲載入，另外一方面，又不希望在 Singleton 類載入時就例項化，因為不能確保 Singleton 類還可能在其他的地方被主動使用從而被載入，那麼這個時候例項化 instance 顯然是不合適的。這個時候，這種方式相比第 3 種方式就顯得很合理。

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

• 列舉

  • JDK 版本：JDK1.5 起
  • 是否 Lazy 初始化：否
  • 是否多執行緒安全：是
  • 實現難度：易
  • 描述：這種實現方式還沒有被廣泛採用，但這是實現單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支援序列化機制，絕對防止多次例項化。

  這種方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多執行緒同步問題，而且還自動支援序列化機制，防止反序列化重新建立新的物件，絕對防止多次例項化。不過，由於 JDK1.5 之後才加入 enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實際工作中，也很少用。不能通過 reflection attack 來呼叫私有構造方法。

  public enum Singleton {  
      INSTANCE;  
      public void whateverMethod() {  
      }  
  }
  

  • 經驗之談：一般情況下，不建議使用第 1 種和第 2 種懶漢方式，建議使用第 3 種餓漢方式。只有在要明確實現 lazy loading 效果時，才會使用第 5 種登記方式。如果涉及到反序列化建立物件時，可以嘗試使用第 6 種列舉方式。如果有其他特殊的需求，可以考慮使用第 4 種雙檢鎖方式。