转自## 旭日的芬芳
1.定义
确保某个类只有一个实例,能自行实例化并向整个系统提供这个实例。
2.应用场景
- 当产生多个对象会消耗过多资源,比如 IO 和数据操作
- 某种类型的对象只应该有且只有一个,比如 Android 中的 Application。
3.考虑情况
- 多线程造成实例不唯一。
- 反序列化过程生成了新的实例。
4.实现方式
4.1 普通单例模式
/**
* 普通模式
* @author josan_tang
*/
public class SimpleSingleton {
//1.static单例变量
private static SimpleSingleton instance;
//2.私有的构造方法
private SimpleSingleton() {
}
//3.静态方法为调用者提供单例对象
public static SimpleSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new SimpleSingleton();
}
return instance;
}
}
在多线程高并发的情况下,这样写会有明显的问题,当线程 A 调用 getInstance 方法,执行到 16 行时,检测到 instance 为 null,于是执行 17 行去实例化 instance,当 17 行没有执行完时,线程 B 又调用了 getInstance 方法,这时候检测到 instance 依然为空,所以线程 B 也会执行 17 行去创建一个新的实例。这时候,线程 A 和线程 B 得到的 instance 就不是一个了,这违反了单例的定义。
4.2 饿汉单例模式
/**
* 饿汉单例模式
* @author josan_tang
*/
public class EHanSingleton {
//static final单例对象,类加载的时候就初始化
private static final EHanSingleton instance = new EHanSingleton();
//私有构造方法,使得外界不能直接new
private EHanSingleton() {
}
//公有静态方法,对外提供获取单例接口
public static EHanSingleton getInstance() {
return instance;
}
}
饿汉单例模式解决了多线程并发的问题,因为在加载这个类的时候,就实例化了 instance。当 getInstatnce 方法被调用时,得到的永远是类加载时初始化的对象(反序列化的情况除外)。但这也带来了另一个问题,如果有大量的类都采用了饿汉单例模式,那么在类加载的阶段,会初始化很多暂时还没有用到的对象,这样肯定会浪费内存,影响性能,我们还是要倾向于 4.1 的做法,在首次调用 getInstance 方法时才初始化 instance。请继续看 4.3 用法。
4.3 懒汉单例模式
import java.io.Serializable;
/**
* 懒汉模式
* @author josan_tang
*/
public class LanHanSingleton {
private static LanHanSingleton instance;
private LanHanSingleton() {
}
/**
* 增加synchronized关键字,该方法为同步方法,保证多线程单例对象唯一
*/
public static synchronized LanHanSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new LanHanSingleton();
}
return instance;
}
}
与 4.1 的唯一区别在于 getInstance 方法前加了 synchronized 关键字,让 getInstance 方法成为同步方法,这样就保证了当 getInstance 第一次被调用,即 instance 被实例化时,别的调用不会进入到该方法,保证了多线程中单例对象的唯一性。
优点:单例对象在第一次调用才被实例化,有效节省内存,并保证了线程安全。
缺点:同步是针对方法的,以后每次调用 getInstance 时(就算 intance 已经被实例化了),也会进行同步,造成了不必要的同步开销。不推荐使用这种方式。
4.4 Double CheckLock(DCL)单例模式
/**
* Double CheckLock(DCL)模式
* @author josan_tang
*
*/
public class DCLSingleton {
//增加volatile关键字,确保实例化instance时,编译成汇编指令的执行顺序
private volatile static DCLSingleton instance;
private DCLSingleton() {
}
public static DCLSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (DCLSingleton.class) {
//当第一次调用getInstance方法时,即instance为空时,同步操作,保证多线程实例唯一
//当以后调用getInstance方法时,即instance不为空时,不进入同步代码块,减少了不必要的同步开销
if (instance == null) {
instance = new DCLSingleton();
}
}
}
return instance;
}
}
DCL 失效:
在 JDK1.5 之前,可能会有 DCL 实现的问题,上述代码中的 20 行,在 Java 里虽然是一句代码,但它并不是一个真正的原子操作。
instance = new DCLSingleton();
它编译成最终的汇编指令,会有下面 3 个阶段:
- 给 DCLSingleton 实例分配内存
- 调用 DCLSingleton 的构造函数,初始化成员变量。
- 将 instance 指向分配的内存空间(这个操作以后,instance 才不为 null)
在 jdk1.5 之前,上述的 2、3 步骤不能保证顺序,也就是说有可能是 1-2-3,也有可能是 1-3-2。如果是 1-3-2,当线程 A 执行完步骤 3(instance 已经不为 null),但是还没执行完 2,线程 B 又调用了 getInstance 方法,这时候线程 B 所得到的就是线程 A 没有执行步骤 2(没有执行完构造函数)的 instance,线程 B 在使用这样的 instance 时,就有可能会出错。这就是 DCL 失效。
在 jdk1.5 之后,可以使用 volatile 关键字,保证汇编指令的执行顺序,虽然会影响性能,但是和程序的正确性比起来,可以忽悠不计。
Java 内存模型
优点:第一次执行 getInstance 时 instance 才被实例化,节省内存;多线程情况下,基本安全;并且在 instance 实例化以后,再次调用 getInstance 时,不会有同步消耗。
缺点:jdk1.5 以下,有可能 DCL 失效;Java 内存模型影响导致失效;jdk1.5 以后,使用 volatile 关键字,虽然能解决 DCL 失效问题,但是会影响部分性能。
4.5 静态内部类单例模式
/**
* 静态内部类实现单例模式
* @author josan_tang
*
*/
public class StaticClassSingleton {
//私有的构造方法,防止new
private StaticClassSingleton() {
}
private static StaticClassSingleton getInstance() {
return StaticClassSingletonHolder.instance;
}
/**
* 静态内部类
*/
private static class StaticClassSingletonHolder {
//第一次加载内部类的时候,实例化单例对象
private static final StaticClassSingleton instance = new StaticClassSingleton();
}
}
第一次加载 StaticClassSingleton 类时,并不会实例化 instance,只有第一次调用 getInstance 方法时,Java 虚拟机才会去加载 StaticClassSingletonHolder 类,继而实例化 instance,这样延时实例化 instance,节省了内存,并且也是线程安全的。这是推荐使用的一种单例模式。
4.6 枚举单例模式
/**
* 枚举单例模式
* @author josan_tang
*
*/
public enum EnumSingleton {
//枚举实例的创建是线程安全的,任何情况下都是单例(包括反序列化)
INSTANCE;
public void doSomething(){
}
}
枚举不仅有字段还能有自己的方法,并且枚举实例创建是线程安全的,就算反序列化时,也不会创建新的实例。除了枚举模式以外,其他实现方式,在反序列化时都会创建新的对象。
为了防止对象在反序列化时创建新的对象,需要加上如下方法:
private Object readResole() throws ObjectStreamException {
return instance;
}
这是一个钩子函数,在反序列化创建对象时会调用它,我们直接返回 instance 就是说,不要按照默认那样去创建新的对象,而是直接将 instance 返回。
4.7 容器单例模式
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
* 容器单例模式
* @author josan_tang
*/
public class ContainerSingleton {
private static Map singletonMap = new HashMap();
//单例对象加入到集合,key要保证唯一性
public static void putSingleton(String key, Object singleton){
if (key != null && !"".equals(key) && singleton != null) {
if (!singletonMap.containsKey(key)) { //这样防止集合里有一个类的两个不同对象
singletonMap.put(key, singleton);
}
}
}
//根据key从集合中得到单例对象
public static Object getSingleton(String key) {
return singletonMap.get(key);
}
}
在程序初始化的时候,讲多种单例类型对象加入到一个单例集合里,统一管理。在使用时,通过 key 从集合中获取单例对象。这种方式多见于系统中的单例,像安卓中的系统级别服务就是采用集合形式的单例模式,比如常用的 LayoutInfalter,我们一般在 Fragment 中的 getView 方法中使用如下代码:
View view = LayoutInflater.from(context).inflate(R.layout.xxx, null);
其实 LayoutInflater.from(context)就是得到 LayoutInflater 实例,看下面的 Android 源码:
/**
* Obtains the LayoutInflater from the given context.
*/
public static LayoutInflater from(Context context) {
//通过key,得到LayoutInflater实例
LayoutInflater LayoutInflater =
(LayoutInflater) context.getSystemService(Context.LAYOUT_INFLATER_SERVICE);
if (LayoutInflater == null) {
throw new AssertionError("LayoutInflater not found.");
}
return LayoutInflater;
}
总结
不管是那种形式实现单例模式,其核心思想都是将构造方法私有化,并且通过静态方法获取一个唯一的实例。在获取过程中需要保证线程安全、防止反序列化导致重新生成实例对象。选择哪种实现方式看情况而定,比如是否高并发、JDK 版本、单例对象的资源消耗等。
名称 | 优点 | 缺点 | 备注 |
---|---|---|---|
简单模式 | 实现简单 | 线程不安全 | |
饿汉模式 | 线程安全 | 内存消耗太大 | |
懒汉模式 | 线程安全 | 同步方法消耗比较大 | |
DCL 模式 | 线程安全,节省内存 | jdk 版本受限、高并发会导致 DCL 失效 | 推荐使用 |
静态内部类模式 | 线程安全、节省内存 | 实现比较麻烦 | 推荐使用 |
枚举模式 | 线程安全、支持反序列化 | 个人感觉比较怪异 | |
集合模式 | 统一管理、节省资源 | 线程不安全 |
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