Java设计模式-单例模式

单例模式的定义  

  在《Java与模式》书中这样说到:作为对象的创建模式,单例模式确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。这个类称为单例类。

单例模式的特点

  从单例模式的定义中我们不难发现单例模式有以下特点

  • 单例模式的类(以下简称单例类)只能有一个实例。
  • 单例类必须自己创建唯一实例。
  • 单例类必须对外提供这一实例。

单例模式的优点

  • 减少内存开支,特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时,而且创建或销毁时性能又无法优化,单例模式的优势就非常明显。
  • 减少系统的性能开销,当一个对象的产生需要比较多的资源时,如读取配置、产生其他依赖对象时,则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象,然后用永久驻留内存的方式来解决(需要注意Java的垃圾回收机制)。
  • 单例模式可以避免对资源的多重占用,例如一个写文件动作,由于只有一个实例存在内存中,避免对同一个资源文件的同时写操作。
  • 单例模式可以在系统设置全局的访问点,优化和共享资源访问,例如可以设计一个单例类,负责所有数据表的映射处理。

单例模式的缺点

  • 单例模式没有一般没有接口,扩展就比较困难,若要扩展,除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。(但不是说单例类不可以实现接口或被继承)
  • 单例模式对测试不利,在并行开发环境中,如果单例模式没有完成,是不能进行测试的,没有接口也不能使用mock的方式虚拟一个对象。
  • 单例模式与单一职责原则有冲突。一个类应该只实现一个逻辑,而不关心它是否是单例的,是不是要单例取决于环境,单例模式把“要单例”和业务逻辑融合在一个类中。

单例模式的使用场景

  说了这么多,现在我们看看单例模式的使用场景。在一个系统中要求一个类有且仅有一个对象,如果出现多个对象就会出现“不良反应”,可以采用单例模式,具体场景例如:

  • 要求生成唯一序列号的环境。
  • 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据,例如一个Web页面上的计数器,可以不用把每次刷新都记录到数据库中,使用单例模式保持计数器的值,并确保是线程安全的。
  • 创建一个对象需要消耗的资源过多,例如要访问IO或数据库等资源。
  • 需要定义大量的静态常量和静态方法(如工具类)的环境,可以考虑采用单例模式(当然,也可以直接声明为static的方式)。

单例模式的注意事项

  • 高并发情况下需要考虑线程同步。
  • 应当防止对象被复制,即Clonenable接口提供的clone()方法。

单例模式的具体实现

  下面提供几种单例模式的具体实现

/**
 * 单例模式实现一(饿汉式)
 * 1.静态实例化对象
 * 2.将构造方法私有
 * 3.提供静态的公有获取对象方法
 *
 * 特点:加载类时对象已经初始化完毕,占用空间,不适合高并发场景使用
 * 私有的构造方法阻挡不了反射机制
 */
public class Singleton1 {
    private static Singleton1 singleton = new Singleton1();
    private Singleton1(){};
    public static Singleton1 getInstance(){
        return singleton;
    }
    public void info(){
        System.out.println("我是饿汉式");
    }
}

/**
 * 单例模式实现二(懒汉式)
 * 1.创建空的静态对象
 * 2.私有构造方法
 * 3.提供公有的初始化对象方法,添加synchronized互斥锁
 *
 * 特点:只有在调用时才初始化对象,省去不必要的空间占用
 * 加了synchronized关键字比较影响执行效率,但保证了线程安全
 */
public class Singleton2 {
    private static Singleton2 singleton = null;
    private Singleton2(){};
    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(singleton == null){
            singleton = new Singleton2();
        }
        return singleton;
    }
    public void info(){
        System.out.println("我是懒汉式");
    }
}

/**
 * 单例模式实现三(双重检查锁)
 * 在单例模式实现二的基础上,添加了volatile关键字修饰静态对象
 * 特点:一定程度上优化了直接使用syncronized关键字带来的性能问题
 */
public class Singleton3 {
    private volatile static Singleton3 singleton = null;
    private Singleton3(){};
    public static Singleton3 getInstance() {
        if(singleton == null){
            synchronized (Singleton3.class){
                if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton3();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
    public void info(){
        System.out.println("我是双重检查锁");
    }
}

/**
 * 单例模式实现四(使用类级内部类)
 * 私有构造方法
 * 创建私有的static修饰的内部类-类级内部类
 * 在内部类中初始化对象
 * 在调用getInstance时初始化SingletonHolder
 * 特点:由jvw保证线程间同步,类加载机制保证单例
 */
public class Singleton4 {
    private Singleton4(){};
    private static class SingletonHolder{
        private static Singleton4 singleton = new Singleton4();
    }
    public static Singleton4 getInstance(){
        return SingletonHolder.singleton;
    }
    public void info(){
        System.out.println("我是类级内部类");
    }
}

/**
 * 单例模式实现五(单元素枚举)
 * 高效、安全、简洁
 * 被称之为最佳实现单例模式的方法
 * 特点:利用枚举的特性,巧妙的保证了线程安全、无偿地提供了序列化机制
 */
public enum Singleton5 {
    SINGLETON_5;
    public void info(){
        System.out.println("我是枚举");
    }
}

总结

  设计模式是解决特定问题的一系列套路,是前辈们的代码设计经验的总结,具有一定的普遍性,可以反复使用。其目的是为了提高代码的可重用性、代码的可读性和代码的可靠性。所以无论哪种设计模式,在使用时一定要结合当下情景,然后去选择设计模式,并选择如何实现这一模式。

注:代码片段中的info()方法与单例模式的实现无关,仅仅是为单例类提供一个行为。

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