你真的了解java單例模式了嗎?

更新時間：2019年06月18日 16:38:05 作者：阿豪聊干貨

這篇文章主要介紹了你真的了解java單例模式了嗎?實際上單例模式有著好幾個變種，并且多線程中涉及到線程安全問題，,需要的朋友可以參考下

一、背景

最近在學習設(shè)計模式，在看到單例模式的時候，我一開始以為直接很了解單例模式了，實現(xiàn)起來也很簡單，但是實際上單例模式有著好幾個變種，并且多線程中涉及到線程安全問題，那么本文我們就來好好聊聊單例模式，說一下經(jīng)典三種實現(xiàn)方式：餓漢式、懶漢式、登記式。并且解決掉多線程中可能出現(xiàn)的線程安全問題。

二、基本概念

1.為什么要使用單例模式？

在我們?nèi)粘５墓ぷ髦?，很多對象通常占用非常重要的系統(tǒng)資源，比如：IO處理，數(shù)據(jù)庫操作等，那我們必須要限制這些對象只有且始終使用一個公用的實例，即單例。

2.單例模式的實現(xiàn)方式

構(gòu)造函數(shù)私有化，防止其他類生成唯一公用實例外的實例。且單例類應(yīng)該被定義為final，也就是說單例類不能被繼承，因為如果允許繼承那子類就都可以創(chuàng)建實例，違背了類唯一實例的初衷。

類中一個靜態(tài)變量來保存單實例的引用。

一個共有的靜態(tài)方法來獲取單實例的引用。
3.單例模式的UML類圖

4.單例模式的經(jīng)典實現(xiàn)方式

餓漢式：一開始就創(chuàng)建好實例，每次調(diào)用直接返回，經(jīng)典的“拿空間換時間”。
懶漢式：延遲加載，第一次調(diào)用的時候才加載，然后返回，以后的每次的調(diào)用就直接返回。經(jīng)典“拿時間換空間”,多線程環(huán)境下要注意解決線程安全的問題。
登記式：對一組單例模式進行的維護，主要是在數(shù)量上的擴展，通過線程安全的map把單例存進去，這樣在調(diào)用時，先判斷該單例是否已經(jīng)創(chuàng)建，是的話直接返回，不是的話創(chuàng)建一個登記到map中，再返回。

三、餓漢式---代碼實現(xiàn)

1.單例類

package com.hafiz.designPattern.singleton;
/**
* Desc: 單例模式-餓漢式
* Created by hafiz.zhang on 2017/9/26.
*/
public class Singleton1 {
// 創(chuàng)建全局靜態(tài)變量，保證只有一個實例
private static volatile Singleton1 instance = new Singleton1();
private Singleton1() {
// 構(gòu)造函數(shù)私有化
System.out.println("--調(diào)用餓漢式單例模式的構(gòu)造函數(shù)--");
}
public static Singleton1 getInstance() {
System.out.println("--調(diào)用餓漢式單例模式的靜態(tài)方法返回實例--");
return instance;
}
}

2.測試類

public class DesignPatternTest {
@Test
public void testSingleton1() {
System.out.println("-----------------測試餓漢式單例模式開始--------------");
Singleton1 instance1 = Singleton1.getInstance();
System.out.println("第二次獲取實例");
Singleton1 instance2 = Singleton1.getInstance();
System.out.println("instance1和instance2是否為同一實例?" + (instance1 == instance2));
System.out.println("-----------------測試餓漢式單例模式結(jié)束--------------");
}
}

3.測試結(jié)果

四、懶漢式---代碼實現(xiàn)

1.單例類

package com.hafiz.designPattern.singleton;
/**
* Desc:單例模式-懶漢式
* Created by hafiz.zhang on 2017/9/26.
*/
public class Singleton2 {
// 創(chuàng)建全局靜態(tài)變量，保證只有一個實例
private static Singleton2 instance = null;
// 構(gòu)造函數(shù)私有化
private Singleton2() {
System.out.println("--調(diào)用懶漢式單例模式的構(gòu)造方法--");
}
public static Singleton2 getInstance() {
System.out.println("--調(diào)用懶漢式單例模式獲取實例--");
if (instance == null) {
System.out.println("--懶漢式單例實例未創(chuàng)建,先創(chuàng)建再返回--");
instance = new Singleton2();
}
return instance;
}
}

2.測試類

public class DesignPatternTest {
@Test
public void testSingleton2() {
System.out.println("-----------------測試懶漢式單例模式開始--------------");
Singleton2 instance1 = Singleton2.getInstance();
System.out.println("第二次獲取實例");
Singleton2 instance2 = Singleton2.getInstance();
System.out.println("instance1和instance2是否為同一實例?" + (instance1 == instance2));
System.out.println("-----------------測試懶漢式單例模式結(jié)束--------------");
}
}

3.測試結(jié)果

細心的同學已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種實現(xiàn)方式，在多線程的環(huán)境中，是有線程安全安全問題的，有可能兩個或多個線程判斷instance都為null,然后創(chuàng)建了好幾遍實例，不符合單例的思想，我們可以對它進行改進。

五、改進懶漢式1---代碼實現(xiàn)

原理：使用JDK的synchronized同步代碼塊來解決懶漢式線程安全問題。

1.單例類

package com.hafiz.designPattern.singleton;
/**
* Desc:單例模式-懶漢式
* Created by hafiz.zhang on 2017/9/26.
*/
public class Singleton2 {
// 創(chuàng)建全局靜態(tài)變量，保證只有一個實例
private static Singleton2 instance = null;
// 構(gòu)造函數(shù)私有化
private Singleton2() {
System.out.println("--調(diào)用懶漢式單例模式的構(gòu)造方法--");
}

public static Singleton2 getInstance() {
System.out.println("--調(diào)用懶漢式單例模式獲取實例--");
　　　　　if (instance != null) {
　　　　　　　　System.out.println("--懶漢式單例實例已經(jīng)創(chuàng)建,直接返回--");
　return instance;
　　　　　}
synchronized (Singleton2.class) {
　　 if (instance == null) {
　　System.out.println("--懶漢式單例實例未創(chuàng)建,先創(chuàng)建再返回--");
　　instance = new Singleton2();
　　 }
}
return instance;
}
}

2.測試結(jié)果

六、改進懶漢式2---代碼實現(xiàn)

原理：使用JVM隱含的同步和類級內(nèi)部類來解決，JVM隱含的同步解決了多線程情況下線程安全的問題，類級內(nèi)部類解決只有使用的時候才加載（延遲加載）的問題。

1.JVM隱含的同步有哪些？

靜態(tài)初始化器(在靜態(tài)字段上或static{}靜態(tài)代碼塊的初始化器)初始化數(shù)據(jù)時

訪問final字段時

在創(chuàng)建線程之前創(chuàng)建對象時

線程可以看見它將要處理的對象時

2.什么是類級內(nèi)部類？

有static修飾的成員式內(nèi)部類。沒有static修飾的成員式內(nèi)部類叫對象級內(nèi)部類。

類級內(nèi)部類相當于其外部類的static成分，他的對象與外部類對象間不存在依賴關(guān)系，因此可直接創(chuàng)建，而對象級內(nèi)部類的實例，是綁定在外部對象實例中的。

類級內(nèi)部類中，可以定義靜態(tài)的方法。在靜態(tài)的方法中只能夠引用外部類的中的靜態(tài)成員方法或者成員變量

類級內(nèi)部類相當于其外部類的成員，只有在第一次被使用的時候才會被裝載

3.單例類

package com.hafiz.designPattern.singleton;
/**
* Desc:單例模式-改進懶漢式
* Created by hafiz.zhang on 2017/9/26.
*/
public class Singleton3 {
private static class Singleton4 {
private static Singleton3 instance;
static {
System.out.println("--類級內(nèi)部類被加載--");
instance = new Singleton3();
}
private Singleton4() {
System.out.println("--調(diào)用類級內(nèi)部類的構(gòu)造函數(shù)--");
}
}
private Singleton3() {
System.out.println("--調(diào)用構(gòu)造函數(shù)--");
}
public static Singleton3 getInstance() {
System.out.println("--開始調(diào)用共有方法返回實例--");
Singleton3 instance;
System.out.println("---------------------------");
instance = Singleton4.instance;
System.out.println("返回單例");
return instance;
}
}

4.測試類

package com.hafiz.www;
import com.hafiz.designPattern.observer.ConcreteObserver;
import com.hafiz.designPattern.observer.ConcreteSubject;
import com.hafiz.designPattern.singleton.Singleton1;
import com.hafiz.designPattern.singleton.Singleton2;
import com.hafiz.designPattern.singleton.Singleton3;
import com.hafiz.designPattern.singleton.Singleton4;
import com.hafiz.designPattern.singleton.Singleton4Child1;
import com.hafiz.designPattern.singleton.SingletonChild2;
import org.junit.Test;
/**
* Desc:設(shè)計模式demo單元測試類
* Created by hafiz.zhang on 2017/7/27.
*/
public class DesignPatternTest {
@Test
public void testSingleton3() {
System.out.println("-----------------測試改進懶漢式單例模式開始--------------");
Singleton3 instance1 = Singleton3.getInstance();
System.out.println("第二次獲取實例");
Singleton3 instance2 = Singleton3.getInstance();
System.out.println("instance1和instance2是否為同一實例?" + (instance1 == instance2));
System.out.println("-----------------測試改進懶漢式單例模式結(jié)束--------------");
}
}

5.測試結(jié)果

七、登記式--代碼實現(xiàn)

1.基類

package com.hafiz.designPattern.singleton;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
/**
* Desc: 單例模式-登記式
* Created by hafiz.zhang on 2017/9/26.
*/
public class Singleton4 {
private static Map<String, Singleton4> map = new ConcurrentHashMap<>();
protected Singleton4() {
System.out.println("--私有化構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用--");
}
public static Singleton4 getInstance(String name) {
if (name == null) {
name = Singleton4.class.getName();
System.out.println("--name為空，默認賦值為：--" + Singleton4.class.getName());
}
if (map.get(name) != null) {
System.out.println("name對應(yīng)的值存在，直接返回");
return map.get(name);
}
System.out.println("name對應(yīng)的值不存在，先創(chuàng)建，再返回");
try {
Singleton4 result = (Singleton4)Class.forName(name).newInstance();
map.put(name, result);
return result;
} catch (InstantiationException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
public Map<String, Singleton4> getMap() {
return map;
}
}

2.子類1

package com.hafiz.designPattern.singleton;
/**
* Desc:
* Created by hafiz.zhang on 2017/9/26.
*/
public class Singleton4Child1 extends Singleton4 {

public static Singleton4Child1 getInstance() {
return (Singleton4Child1) Singleton4.getInstance("com.hafiz.designPattern.singleton.Singleton4Child1");
}
}

3.子類2

package com.hafiz.designPattern.singleton;
/**
* Desc:
* Created by hafiz.zhang on 2017/9/26.
*/
public class SingletonChild2 extends Singleton4 {
public static SingletonChild2 getInstance() {
return (SingletonChild2) Singleton4.getInstance("com.hafiz.designPattern.singleton.SingletonChild2");
}
}

4.測試類

public class DesignPatternTest {
@Test
public void testSingleton4() {
System.out.println("-----------------測試登記式單例模式開始--------------");
System.out.println("第一次取得實例");
Singleton4 instance1 = Singleton4.getInstance(null);
System.out.println("res:" + instance1);
System.out.println("第二次獲取實例");
Singleton4Child1 instance2 = Singleton4Child1.getInstance();
System.out.println("res:" + instance2);
System.out.println("第三次獲取實例");
SingletonChild2 instance3 = SingletonChild2.getInstance();
System.out.println("res:" + instance3);
System.out.println("第四次獲取實例");
SingletonChild2 instance4 = new SingletonChild2();
System.out.println("res:" + instance4);
System.out.println("輸出父類Map中所有的單例");
Map<String, Singleton4> map = instance1.getMap();
for (Map.Entry<String, Singleton4> item : map.entrySet()) {
System.out.println("map-item:" + item.getKey() + "=" + item.getValue());
}
System.out.println("instance1和instance2是否為同一實例?" + (instance1 == instance2));
System.out.println("-----------------測試登記式單例模式結(jié)束--------------");
}
}

5.測試結(jié)果