深入理解单例模式_onestar博客

作者：黑客灵魂 | 2024-08-22 13:46:55

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【1】方法一：饿汉单例

单例模式有八种写法，不是说设计模式是代表了最佳的实践吗，这一下冒出八种写法，何谈最佳？

每一种单例的写法基本上都可以破坏其单例的属性，这就带来了安全隐患，所以每一种写法都是在之前的基础上进行加强，但是比消此涨，这会增加空间复杂度或者时间复杂度，没有最优的用法，只有最合适的用法。

这八种里面有些方法是重复的，只是写法稍变一下，重复的就不讲解了，每种方法通过多线程并发进行测试，通过构造方法执行的次数查看创建对象的数量

【1】方法一：饿汉单例

饿汉单例，顾名思义，饿汉就是比饿，比较饥渴，比较冲动，一上来就进入主题，创建对象。

在类加载时就创建了单例对象
只创建一个实例，绝对线程安全，在线程还没出现以前就是实例化了，不可能存在访问安全问题，JVM保证线程安全
优点：没有加任何锁，执行效率高，线程安全
缺点：不管你是否用到，类装载的时候就完成实例化，浪费内存空间（空间换时间）


public class Hungry {
    // 私有构造器
    private Hungry(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
    // 指向自己实例的私有静态引用
    private static final Hungry hungry = new Hungry();
    // 以自己实例为返回值的静态的公有方法
    public static Hungry getInstance(){
        return hungry;
    }
}
 
// 多线程并发测试
@Test
public void TestMain1(){
    for (int i = 0;i < 10;i++){
        new Thread(() -> {
            Hungry.getInstance();
        }).start();
    }
}

【2】方法二：懒汉单例

懒汉模式，就是比较懒，做事比较拖拉，在调用实例方法的时候才去实例化对象，一开始我就不给你 new 对象，你来找我，我再给你创建一个对象

在调用实例方法的时候才去实例化对象
在getInstance方法中线程不安全，会创建了多个实例
优点：一直没人用的话，就不会创建实例，节约内存空间
缺点：浪费判断时间，降低效率（时间换空间），线程不安全


public class LazyMan {
    // 私有构造器
    private LazyMan(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
    // 指向自己实例的私有静态引用
    private static LazyMan lazyMan = null;
    // 以自己实例为返回值的静态的公有方法
    public static LazyMan getInstance(){
        if(lazyMan == null){
            lazyMan = new LazyMan();
        }
        return lazyMan;
    }
}
 
// 多线程并发测试
@Test
public void TestMain2(){
    for (int i = 0;i < 10;i++){
        new Thread(() -> {
            LazyMan.getInstance();
        }).start();
    }
}

【3】方法三：懒汉单例加强（同步方法）

方法二存在线程不安全的隐患，我们可以通过加锁来进行加强，方法声明上加上 synchronized，同步方法

和方法二一样，在调用实例方法的时候才去实例化对象
在方法声明上加锁，保证线程安全
优点：一直没人用的话，就不会创建实例，节约内存空间，且线程安全
缺点：每次创建实例都要判断锁，浪费判断时间，降低效率（时间换空间）


public class LazyManSyn {
    // 私有构造器
    private LazyManSyn(){}
    // 私有静态引用创建对象
    private static LazyManSyn lazyManSyn = null;
    // 同步方法创建实例对象
    public static synchronized LazyManSyn getInstance(){
        if (lazyManSyn == null){
            lazyManSyn = new LazyManSyn();
        }
        return lazyManSyn;
    }
}
 
// 多线程并发测试
@Test
public void TestMain3(){
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(()->{
            System.out.println(LazyManSyn.getInstance().hashCode());
        }).start();
    }
}

【4】方法四：懒汉单例加强（DCL）

方法三虽然线程安全，但每次创建实例都需要判断锁，效率低，我们可以通过双重锁来进行加强，让已经有实例对象的时候不进行锁判断，这种方式称之为DCL懒汉式

和方法二一样，在调用实例方法的时候才去实例化对象
通过双重锁来防止多实例（双重判断和锁）
第一个 if 判断：提高执行效率，如果对象不为空，就直接不执行下面的程序
第二个 if 判断：在第一个 if 判断和 synchronized 锁之间，可以进来多个线程，如果没有第二个 if 判断，一个线程拿到锁 new 对象后释放锁，第二个线程又能够拿到锁 new 对象，通过第二个 if 则可以避免创建多个对象。
synchronized 锁：通过同步代码块
优点：减少了锁的判断，相对于方法三提升了效率，使用双重锁，暂且认为线程安全（后面再说）
缺点：其实这个方法还是存在线程不安全的隐患，在lazyManDCL = new LazyManDCL();创建对象的时候，不是一个原子性操作，会出现指令重排的可能，因此也可能创建多个实例


public class LazyManDCL {
    // 私有构造器
    private LazyManDCL(){}
    // 指向自己实例的私有静态引用
    private static LazyManDCL lazyManDCL = null;
    // 双重检查锁模式
    public static LazyManDCL getInstance(){
        if(lazyManDCL == null){
            synchronized (LazyManDCL.class){
                if(lazyManDCL == null){
                    lazyManDCL = new LazyManDCL();
                }
            }
        }
        return lazyManDCL;
    }
}
 
// 多线程并发测试
@Test
public void TestMain3(){
    for (int i = 0;i < 10;i++){
        new Thread(() -> {
            System.out.println(LazyManDCL.getInstance().hashCode());
        }).start();
    }
}

【5】方法五：DCL加强

在DCL单例模式中，虽然能够通过双重锁保证一定的线程安全性，但是在 new 对象的时候，非原子性操作造成指令重排，执行 new LazyManDCL(); 的过程如下：

分配内存空间
执行构造方法
把这个对象指向这个空间

执行代码时，为了提高性能，编译器和处理器往往会对指令进行重排序，上面的执行顺序可能是 1—>2—>3，也可能是 1—>3—>2，当执行顺序为 1—>3—>2 时，就会出现如下问题：

A线程执行 1—>3 ，分配了内存空间，把这个对象指向这个空间
此时B线程进来，由于A线程指向了这个空间，造成第一个 if 判断为 false，从而直接 return 对象，由于没有初始化对象，就会报错

因此我们要防止指令重排的现象发生，即：使用 volatile 关键字，代码如下，就是在方法四的基础上加了一个 volatile 关键字

优点：线程安全
缺点：多重判断，浪费时间，降低效率


public class LazyManDCL {
    // 私有构造器
    private LazyManDCL(){}
    // 指向自己实例的私有静态引用，使用volatile防止指令重排
    private static volatile LazyManDCL lazyManDCL = null;
    // 双重检查锁模式
    public static LazyManDCL getInstance(){
        if(lazyManDCL == null){
            synchronized (LazyManDCL.class){
                if(lazyManDCL == null){
                    lazyManDCL = new LazyManDCL();
                }
            }
        }
        return lazyManDCL;
    }
}
 
// 多线程并发测试
@Test
public void TestMain4(){
    for (int i = 0;i < 10;i++){
        new Thread(() -> {
            System.out.println(LazyManDCL.getInstance().hashCode());
        }).start();
    }
}

【6】方法六：懒汉单例加强（静态内部类）

通过静态内部类来创建实例，静态内部类单例模式的核心原理为对于一个类，JVM在仅用一个类加载器加载它时，静态变量的赋值在全局只会执行一次！，

优点1：外部类加载时，不会立即加载内部类，因此不占内存
优点2：不像DCL那样需要进行多重判断，提升了效率
优点3：第一次调用getInstance()方法时，虚拟机才加载SingleOne类，既能保证线程安全，又能保证实例的唯一性，同时也延迟了单例的实例化


public class SingleOne {
    // 私有构造方法
    private SingleOne(){}
    // 通过静态内部类创建实例
    private static class InnerClass{
        private static final SingleOne SINGLE_ONE = new SingleOne();
    }
    // 通过内部类返回对象实例
    public static SingleOne getInstance(){
        return InnerClass.SINGLE_ONE;
    }
}
 
// 多线程并发测试
@Test
public void TestMain5(){
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(()->{
            System.out.println(SingleOne.getInstance().hashCode());
        }).start();
    }
}

【6】方法七：枚举单例（最完美写法）

上面的方法都是在忽略反射的情况下，我们都知道，反射可以破坏类，能够无视私有构造器，因此，上面的单例都可以使用反射进行破坏，为了解决反射破坏，我们可以使用枚举单例。

枚举的特性本身就是单例，在任何情况下都是一个单例
直接通过EnumSingle.INVALID进行调用
让JVM来帮我们保证线程安全和单一实例问题


public enum EnumSingle {
    INVALID;
    public void doSomething(){}
}
 
// 多线程并发测试
@Test
public void TestMain6(){
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(()->{
            System.out.println(EnumSingle.INVALID.hashCode());
        }).start();
    }
}

总结

单例模式写法有很多种，稍微改动一下可能又是一种，不过最完美的还是方法七的枚举单例，但是用的最多的还是第一种，因为简单，易于理解，更适合开发者。其实我们没有必要拘泥于完美，最合适的才是最好的，用什么方式解决实际问题更合适就用什么方式，不要追求那些不必要的完美。就像两个人在一起，可能他（她）足够完美，你很喜欢，然而却因为种种原因不是那么合适，喜欢是乍见之欢，久处仍怦然，合适是你来我往，听得懂和聊得来，你是用心动的方法还是用自己能够信手拈来的方法呢？当然，即喜欢又合适是最好的，无论多难，你也总会遇到即喜欢有合适的，毕竟地球是圆的，只是时间早晚的问题！

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