设计模式：01-单例模式

1、基本介绍

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

比如 Hibernate 的 SessionFactory，它充当数据存储源的代理，并负责创建 Session 对象。SessionFactory 并不是轻量级的，一般情况下，一个项目通常只需要一个 SessionFactory 就够，这是就会使用到单例模式。

2、单例模式的使用方式

单例模式有八种方式：

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

3、饿汉式（静态常量）

3.1 应用实例

步骤如下：

1）构造器私有化（防止 new）

2）类的内部创建对象

3）向外暴露一个静态的公共方法。getInstance

4）代码实现

package com.wenze.design.singleton.hungryStaticConstant;  
  
/**  
 * 单例模式-饿汉式（静态变量）  
 *  
 * @author wenze  
 * @version 1.0  
 * @Date 2023-10-18 09:57:30  
 * @since 1.0  
 */
 public class SingletonTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        final Singleton instance1 = Singleton.getInstance();  
        final Singleton instance2 = Singleton.getInstance();  
  
        System.out.println(instance1 == instance2); // true  
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());  
        System.out.println("instance2.hashCode() = " + instance2.hashCode());  
    }  
}  
  
class Singleton {  
  
    // 1. 构造器私有化，使外部不能 new    private Singleton() {}  
  
    // 2. 本类内部创建对象实例  
    private final static Singleton 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;  
    }  
  
  
}

3.2 优缺点说明

1）优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

2）缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，这会造成内存的浪费。

3）这种方式基于 classloader 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，因此不能确定有其他方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 就没有达到 Lazy Loading 的效果。

4）结论：这种单例模式可用，可能造成内存浪费

4、饿汉式（静态代码块）

4.1 应用实例

代码实现：

package com.wenze.design.singleton.hungryStaticCodeBlock;  
  
/**  
 * 单例模式-饿汉式（静态代码块）  
 *  
 * @author wenze  
 * @version 1.0  
 * @Date 2023-10-18 10:21:44  
 * @since 1.0  
 */
 public class SingletonTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        // 测试  
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();  
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(instance1 == instance2); // true  
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());  
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());  
    }  
}  
  
class Singleton {  
    // 1. 构造器私有化，外部不能new  
    private Singleton() {}  
  
    // 2. 本类内部创建对象实例  
    private final 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;  
    }  
}

4.2 优缺点说明

1）这种方式和上面的方式其实类似，只不过将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。优缺点和上面是一样的。

2）结论：这种单例模式可用，但是可能造成内存浪费。

5、懒汉式（线程不安全）

5.1 应用实例

代码实现：

package com.wenze.design.singleton.lazyThreadNotSafe;  
  
/**  
 * 单例模式-懒汉式（线程不安全）  
 *  
 * @author wenze  
 * @version 1.0  
 * @Date 2023-10-18 10:32:50  
 * @since 1.0  
 */
 public class SingletonTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        // 测试  
        System.out.println("懒汉式1，线程不安全~");  
        final Singleton instance1 = Singleton.getInstance();  
        final Singleton instance2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(instance1 == instance2);  
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());  
        System.out.println("instance2.hashCode=" + 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  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (null == instance) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

5.2 优缺点说明

1）起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。

2）如果在多线程下，一个线程进入了 if (null == singleton) 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使用这种方式。

3）结论：在实际开发中，不要使用这种方式。

6、懒汉式（线程安全，同步方法）

6.1 应用实例

代码实现：

package com.wenze.design.singleton.lazySynchronizedMethod;  
  
/**  
 * 单例模式-懒汉式（线程安全，同步方法）  
 *  
 * @author wenze  
 * @version 1.0  
 * @Date 2023-10-18 10:45:26  
 * @since 1.0  
 */
 public class SingletonTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println("懒汉式，线程安全，同步方法");  
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();  
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(instance1 == instance2);  
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());  
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());  
    }  
}  
  
class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
  
    private Singleton() {}  
  
    // 提供一个静态的公有方法，加入同步处理的代码，解决线程安全问题  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (null == instance) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

6.2 优缺点说明

1）解决了线程不安全问题

2）效率太低了，每个线程都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一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接 return 就行了。方法进行同步效率太低。

3）结论：在实际开发中，不推荐使用这种方式。

7、懒汉式（线程安全，同步代码块）

7.1 应用实例

代码实现：

package com.wenze.design.singleton.lazySynchronizedBlock;  
  
/**  
 * 单例模式-懒汉式（线程安全，同步代码块）  
 *  
 * @author wenze  
 * @version 1.0  
 * @Date 2023-10-18 14:40:33  
 * @since 1.0  
 */
 public class SingletonTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();  
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(instance1 == instance2);  
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());  
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());  
    }  
}  
  
class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
  
    private Singleton() {}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (null == instance) {  
            synchronized (Singleton.class) {  
                instance = new Singleton();  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
  
}

7.2 优缺点说明

1）这种方式，本意是相对第四种实现方式的改进，因为前面同步方法效率太低，改为同步产生实例化的代码块

2）**但是这种同步并不能起到线程同步的作用。**跟第 3 种实现方式遇到的情形一致，加入一个线程进入了 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。

3）结论：在实际开发中，不能使用这种方式。

8、双重检查

8.1 应用实例

代码实现：

package com.wenze.design.singleton.doubleCheck;  
  
/**  
 * 单例模式-双重检查  
 *  
 * @author wenze  
 * @version 1.0  
 * @Date 2023-10-18 14:49:47  
 * @since 1.0  
 */
 public class SingletonTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();  
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(instance1 == instance2);  
        System.out.println("instance1.hashCode=" + instance1.hashCode());  
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());  
    }  
}  
  
class Singleton {  
    private static volatile Singleton instance;  
  
    private Singleton() {}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (null == instance) {  
            synchronized (Singleton.class) {  
                if (null == instance) {  
                    instance = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}

8.2 优缺点说明

1）Double-Check 概念是多线程开发中常使用到的，如代码中所示，我们进行了两次 if (singleton = null) 检查，这样就可以保证线程安全了。

2）这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断 if (singleton = null) ，直接 return 实例化对象，也避免的反复进行方法同步。

3）线程安全；延迟加载；效率较高

4）结论：在实际开发中，推荐使用这种单例设计模式。

9、静态内部类

9.1 应用实例

代码实现：

package com.wenze.design.singleton.staticInnerClass;  
  
/**  
 * 单例模式-静态内部类  
 *  
 * @author wenze  
 * @version 1.0  
 * @Date 2023-10-18 15:05:28  
 * @since 1.0  
 */
 public class SingletonTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        final Singleton instance1 = Singleton.getInstance();  
        final Singleton instance2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(instance1 == instance2);  
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());  
        System.out.println("instance2.hashCode() = " + instance2.hashCode());  
    }  
}  
  
class Singleton {  
    private Singleton(){}  
  
    private static class SingletonInstance {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonInstance.INSTANCE;  
    }  
}

9.2 优缺点说明

1）这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。

2）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，才会装在 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化。

3）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。

4）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

5）结论：推荐使用

10、枚举

10.1 应用实例

代码实现：

package com.wenze.design.singleton.enums;  
  
/**  
 * 单例模式-枚举  
 *  
 * @author wenze  
 * @version 1.0  
 * @Date 2023-10-18 15:20:55  
 * @since 1.0  
 */
 public class SingletonTest {  
    public static void main(String[] args) {  
        Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;  
        Singleton instance2 = Singleton.INSTANCE;  
        System.out.println(instance1 == instance2);  
        System.out.println("instance1.hashCode() = " + instance1.hashCode());  
        System.out.println("instance2.hashCode() = " + instance2.hashCode());  
    }  
}  
  
enum Singleton {  
    INSTANCE;  
}

10.2 优缺点说明

1）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。

2）这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式

3）结论：推荐使用

11、单例模式在 JDK 应用的源码分析

单例模式在 JDK 应用的源码分析

1）我们 JDK 中，java.lang.Runtime 就是经典的单例模式（饿汉式）

2）代码分析 + Debug 源码 + 代码说明

12、单例模式注意事项和细节说明

1）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，使用单例模式可以提高系统性能。

2）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

3）单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、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（比如数据源、session 工厂等）。