單例模式解析

gnng發表於2019-02-26
單例模式

單例模式解析

​ 單例模式是設計模式中使用最多的模式之一，它是一種物件的建立模式，用於產生一個物件的例項，確保系統中一個類只有一個例項。在Java語言中，單例模式有以下好處：

  • 對於頻繁使用的物件，單例省略了建立物件的時間，對於重量級物件而言，極大減少了系統開銷。
  • 由於new的次數減少，因此減少了系統對記憶體的使用頻次，減輕了GC壓力，縮短了GC停頓時間。

因此對於系統的關鍵元件和頻繁使用的物件，可以設計為單例模式，減少系統的開銷，提高系統效能。

​ 單例模式的參與者很少，只有單例類和使用者，關係表如下：

角色 作用
單例類 提供單例的工廠，返回單例
使用者 獲取並使用單例

​ 類圖如下：

單例模式解析

實現方式一（餓漢）：

單例模式的核心在於通過一個介面返回唯一例項化物件，簡單實現如下：

/**
 * 單例模式--餓漢（無法做到延時載入）
 */
public class HungrySingleton {

    private static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();

    /**
     * 私有構造方法
     */
    private HungrySingleton(){
        System.out.println("建立了物件");
    }

    /**
     * 對外暴露的獲取唯一例項的介面
     * @return
     */
    public static HungrySingleton getInstance(){
        return instance;
    }

    /**
     * 序列化，反序列化保證單例
     * @return
     */
    private Object readResolve(){
        return instance;
    }
}
複製程式碼

​ 原理：單例類必須私有化構造方法，保證不會在系統其他地方呼叫，其次instance成員變數和getInstance()方法必須是static修飾的。

​ 注意：單例模式的這種實現方式非常簡單，十分可靠，唯一不足是無法做到延時載入。假設單例的建立過程十分緩慢，由於instance的成員變數是由static修飾的，在JVM載入單例類的時候，單例物件就會存在，如果單例類還在系統中扮演別的角色，那麼系統中任何使用單例類的地方都會初始化這個單例物件，而不管是否被用到。

實現方式二（懶漢）：

為了解決上述問題，並提高系統在相關函式呼叫的反應速度，就需要加入延時載入機制，懶漢模式。

/**
 * 單例模式--懶漢（效率低，延時載入）
 */
public class LazySingleton {

    private static LazySingleton instance = null;

    private LazySingleton() {
        System.out.println("LazySingleton is create");
    }

    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            return new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}
複製程式碼

​ 原理：首先，靜態成員變數instance賦值為null，確保系統啟動時沒有額外負載，其次在getInstance()方法中判斷當前單例instance物件是否存在，存在則返回，不存在建立單例物件。

​ 注意：getInstance()必須是執行緒同步的，否則在多執行緒條件下，當執行緒1新建單例完成賦值前，執行緒2可能判斷instance為null，執行緒2也建立了單例物件，導致多個例項被建立，因此同步關鍵字是必須的。使用上述單例模式的實現方式，雖然實現了延時載入，但是和第一種實現（餓漢）相比，引入了同步關鍵字，因此在多執行緒場景下，載入速度遠遠大於第一種實現方式，影響系統效能。

實現方式三（內部類）：

繼續改進，建立內部類：

/**
 * 使用內部類來維護單例的例項，當StaticSingleton被載入時候，內部類並沒有被初始化
 * （instance並沒有被初始化），呼叫getInstance()才會被初始化。
 */
public class StaticSingleton {

    private StaticSingleton(){
        System.out.println("StaticSingleton is create");
    }

    /**
     * 內部類，建立單例物件
     */
    private static class StaticSingleHolder{
        private static StaticSingleton instance = new StaticSingleton();
    }

    public static StaticSingleton getInstance(){
        return StaticSingleHolder.instance;
    }
}
複製程式碼

​ 原理：在這個實現中，使用內部類來維護單例例項，當StaticSingleton被載入的時候，內部類沒有被初始化，可以確保StaticSingleton載入到JVM中，不會初始化單例類，當呼叫getInstance()時才會載入StaticSingleHolder，初始化instance物件，同時由於例項的建立是在類載入時完成的，對執行緒友好，getInstance()不需要使用同步關鍵字。

​ 注意：使用內部類實現的單例，既可以實現延時載入也避免使用同步關鍵字，是比較完善的實現。但是如果通過反射機制強行呼叫私有構造方法，就會生成多個單例。同時序列化和反序列化可能破壞單例(餓漢程式碼readResolve()方法)，場景不多見，如果存在，多加註意。

[^《Java效能程式優化 讓你的Java程式更快、更穩定》 葛一鳴]

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