五種方式實現 Java 單例模式

小碼code發表於2022-06-17
Java單例模式

前言

單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單的設計模式之一。這種型別的設計模式屬於建立型模式，它提供了一種建立物件的最佳方式。

這種模式涉及到一個單一的類，該類負責建立自己的物件，同時確保只有單個物件被建立。這個類提供了一種訪問其唯一的物件的方式，可以直接訪問，不需要例項化該類的物件。

餓漢單例

是否多執行緒安全：是

是否懶載入：否

正如名字含義，餓漢需要直接建立例項。

public class EhSingleton {

    private static EhSingleton ehSingleton = new EhSingleton();

    private EhSingleton() {}

    public static EhSingleton getInstance(){
        return ehSingleton;
    }
}

缺點： 類載入就初始化，浪費記憶體
優點： 沒有加鎖，執行效率高。還是執行緒安全的例項。

懶漢單例

懶漢單例，在類初始化不會建立例項，只有被呼叫時才會建立例項。

非執行緒安全的懶漢單例

是否多執行緒安全：否

是否懶載入： 是

public class LazySingleton {

    private static LazySingleton ehSingleton;

    private LazySingleton() {}

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (ehSingleton == null) {
            ehSingleton = new LazySingleton();
        }
        return ehSingleton;

    }

}

例項在呼叫 getInstance 才會建立例項，這樣的優點是不佔記憶體，在單執行緒模式下，是安全的。但是多執行緒模式下，多個執行緒同時執行 if (ehSingleton == null) 結果都為 true，會建立多個例項，所以上面的懶漢單例是一個執行緒不安全的例項。

加同步鎖的懶漢單例

是否多執行緒安全：是

是否懶載入： 是

為了解決多個執行緒同時執行 if (ehSingleton == null) 的問題，getInstance 方法新增同步鎖，這樣就保證了一個執行緒進入了 getInstance 方法，別的執行緒就無法進入該方法，只有執行完畢之後，其他執行緒才能進入該方法，同一時間只有一個執行緒才能進入該方法。

public class LazySingletonSync {

    private static LazySingletonSync lazySingletonSync;

    private LazySingletonSync() {}

    public static synchronized LazySingletonSync getInstance() {
        if (lazySingletonSync == null) {
            lazySingletonSync =new LazySingletonSync();
        }
        return lazySingletonSync;
    }

}

這樣配置雖然保證了執行緒的安全性，但是效率低，只有在第一次呼叫初始化之後，才需要同步，初始化之後都不需要進行同步。鎖的粒度太大，影響了程式的執行效率。

雙重檢驗懶漢單例

是否多執行緒安全：是

是否懶載入：是

使用 synchronized 宣告的方法，在多個執行緒訪問，比如A執行緒訪問時，其他執行緒必須等待A執行緒執行完畢之後才能訪問，大大的降低的程式的執行效率。這個時候使用 synchronized 程式碼塊優化執行時間，減少鎖的粒度。

雙重檢驗首先判斷例項是否為空，然後使用 synchronized (LazySingletonDoubleCheck.class) 使用類鎖，鎖住整個類，執行完程式碼塊的程式碼之後，新建了例項，其他程式碼都不走 if (lazySingletonDoubleCheck == null) 裡面，只會在最開始的時候效率變慢。而 synchronized 裡面還需要判斷是因為可能同時有多個執行緒都執行到 synchronized (LazySingletonDoubleCheck.class) ，如果有一個執行緒執行緒新建例項，其他執行緒就能獲取到 lazySingletonDoubleCheck 不為空，就不會再建立例項了。

public class LazySingletonDoubleCheck {

    private static LazySingletonDoubleCheck lazySingletonDoubleCheck;

    private LazySingletonDoubleCheck() {}

    public static LazySingletonDoubleCheck getInstance() {
        if (lazySingletonDoubleCheck == null) {
            synchronized (LazySingletonDoubleCheck.class) {
                if (lazySingletonDoubleCheck == null) {
                    lazySingletonDoubleCheck = new LazySingletonDoubleCheck();
                }
            }
        }
        return lazySingletonDoubleCheck;
    }
}

靜態內部類

是否多執行緒安全：是

是否懶載入：是

外部類載入時，並不會載入內部類，也就不會執行 new SingletonHolder()，這屬於懶載入。只有第一次呼叫 getInstance() 方法時才會載入 SingletonHolder 類。而靜態內部類是執行緒安全的。

靜態內部類為什麼是執行緒安全

靜態內部類利用了類載入機制的初始化階段 方法，靜態內部類的靜態變數賦值操作，實際就是一個 方法，當執行 getInstance() 方法時，虛擬機器才會載入 SingletonHolder 靜態內部類，

然後在載入靜態內部類，該內部類有靜態變數，JVM會改內部生成方法，然後在初始化執行方法 —— 即執行靜態變數的賦值動作。

虛擬機器會保證 方法在多執行緒環境下使用加鎖同步，只會執行一次 方法。

這種方式不僅實現延遲載入，也保障執行緒安全。

public class StaticClass {

    private StaticClass() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final SingletonHolder INSTANCE = new SingletonHolder();
    }

    public static final SingletonHolder getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

總結

  • 餓漢單例類載入就初始化，在沒有加鎖的情況下實現了執行緒安全，執行效率高。但是無論有沒有呼叫例項都會被建立，比較浪費記憶體。
  • 為了解決記憶體的浪費，使用了懶漢單例，但是懶漢單例在多執行緒下會引發執行緒不安全的問題。
  • 不安全的懶漢單例，使用 synchronized 宣告同步方法，獲取例項就是安全了。
  • synchronized 宣告方法每次執行緒呼叫方法，其它執行緒只能等待，降低了程式的執行效率。
  • 為了減少鎖的粒度，使用 synchronized 程式碼塊，因為只有少量的執行緒獲取例項，例項是null，建立例項之後，後續的執行緒都能獲取到執行緒，也就無需使用鎖了。可能多個執行緒執行到 synchronized ，所以同步程式碼塊還需要再次判斷一次。
  • 靜態內部類賦值實際是呼叫 方法，而虛擬機器保證 方法使用鎖，保證執行緒安全。

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