单例模式实现方式【懒汉式、饿汉式、线程同步问题如何解决】Java代码演示

文章目录

介绍实现单例模式的方式

1. 饿汉式（静态常量）2. 饿汉式（静态代码块）3. 懒汉式（线程不安全）4. 懒汉式（线程安全，同步方法）5. 懒汉式（线程安全，同步代码块）6. 双重检查7. 静态内部类8. 枚举总结

介绍

所谓类的单例设计模式，就是采取一定的方法保证在整个软件系统中，对某个类只能存在一个对象实例，并且该类只提供一个取得其对象实例的方法（静态方法）。

实现单例模式的方式 1. 饿汉式（静态常量）

方式特点：

构造器私有化类的内部创建对象向外暴露一个静态的公共方法。getInstance

代码演示：

public class SingletonTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);  // true
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
    }
}

// 饿汉式（静态变量）
class Singleton {
    // 1. 私有化构造器，防止外部 new
    private Singleton() { }

    // 2. 类内部创建实例对象
    private final static Singleton instance = new Singleton();

    // 3. 对外提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

优点：这种写发简单，就是在类加载的时候就完成了实例化。避免了线程同步问题。缺点：在类加载的时候就完成实例化，没有达到懒加载的效果。如果从始至终未使用这个实例，则会造成内存浪费。这种方式基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是导致类装载的原因有很多种，因此不能确定有其它的方式（或者其它的静态方法），这时候初始化 instance 就没有达到 lazyloading 的效果。

2. 饿汉式（静态代码块）

代码演示：

public class SingletonTest02 {
    public static void main(String[] args) {
        // 测试
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);  // true
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
    }
}


class Singleton {
    // 1. 构造器私有化，防止外部new对象
    private Singleton() {}

    // 2. 本类内部创建对象实例
    private static Singleton instance;

    static {    // 在静态代码块中，创建单例对象
        instance = new Singleton();
    }

    // 3. 提供一个公有的静态方法，返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

优缺点说明：

这种方式和上面的方式其实类似，只不过类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。

3. 懒汉式（线程不安全）

代码演示：

public class SingletonTest03 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
    }
}


class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    // 提供一个静态的公有方法，当使用到该方法时，才去创建 instance
    // 即：懒汉式
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

优缺点说明：

提到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了 if(singleton == null) 判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可以使用这种方式。

4. 懒汉式（线程安全，同步方法）

代码演示：

public class SingletonTest04 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
    }
}

// 懒汉式（线程安全，同步方法）
class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    // 提供一个静态方法，加入同步处理的代码，解决了线程安全问题
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点说明：

解决了线程安全问题效率太低，每个线程在想获得类的实例的时候，执行getInstance() 方法都要进行同步。而其实这个方法只执行了一次实例化代码就够了，后面想获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低。

5. 懒汉式（线程安全，同步代码块）

以下是对代码块的同步操作，此方式不能够保证线程安全。

代码演示：

class Singleton01 {
    private static Singleton01 singleton;

    private Singleton01() {}

    public static Singleton01 getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton01.class) {
                singleton = new Singleton01();
            }
        }
        return  singleton;
    }
}

注意：

上一种方式的实现效率太低，改为同步产生实例化的代码块，但是这种同步不能起到任何作用，假如一个线程进入了 if(singleton == null) 判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句块，这便会产生多个实例。实际开发不能用这种方式。

6. 双重检查

代码演示：

public class SingletonTest6 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用双重检查");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);  // true
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    // 提供一个静态的公有方法，加入双重检查代码，解决线程安全问题，同时解决懒加载问题
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

运行结果：

使用双重检查
true
instance.hashCode=312714112
instance2.hashCode=312714112

Process finished with exit code 0

优缺点说明：

Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了俩次 if(singleton == null) 检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只执行了一次，后面再次访问时，判断 if(singleton == null) ，直接 return 实例化对象，也避免反复进行方法同步。线程安全：延迟加载，效率较高。

7. 静态内部类

代码演示：

public class SingletonTest07 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("使用静态内部类实现懒汉式单例模式");
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());
    }
}

// 静态内部类完成
class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {}

    // 写一个静态内部类，该类中有一个静态的属性Singleton
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 提供一个静态的公有方法
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

使用静态内部类实现懒汉式单例模式
true
instance.hashCode=312714112
instance2.hashCode=312714112

Process finished with exit code 0

优缺点说明：

这种方式采用了类加载机制来保证初始化实例时只有一个线程。静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化。类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM 帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。优点：避免了线程不安全，利用静态内部类特点实现延迟加载，效率高。

8. 枚举

代码实现：

public class SingletonTest8 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance2);
        System.out.println(instance.hashCode());
        System.out.println(instance2.hashCode());
        instance.sayOK();
    }
}

// 使用枚举可以实现单例
enum  Singleton {
    INSTANCE; //属性
    public void sayOK() {
        System.out.println("ok");
    }
}

优缺点说明：

这借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式。

总结

单例模式	特点总结
饿汉式（静态常量）	这种单例模式可用，可能造成内存浪费
饿汉式（静态代码块）	这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费
懒汉式（线程不安全）	只能在单线程下使用，实际开发中，不可以使用
懒汉式（线程安全，同步方法）	解决了线程安全问题，方法进行同步效率太低
懒汉式（线程安全，同步代码块）	这种同步不能起到任何作用
双重检查（Double-Check）	线程安全：延迟加载，效率较高
静态内部类	避免线程不安全，利用静态内部类实现延迟加载，效率高
枚举	不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象

使用细节：

单例模式保证了系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以题搞系统性能。当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用 new单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多（即：重量级对象），但又经常用到的对象、工具类对象、频繁访问数据库或文件的对象（比如font color=red>数据源、session工厂等）

单例模式实现方式【懒汉式、饿汉式、线程同步问题如何解决】Java代码演示

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