java单例模式——详解多种JAVA单例模式的实现，看你这一篇就够了

2023年12月05号发表于：java。评论 (0) 热度：216

最近在写java项目的时候由于所使用的框架不支持注解引入依赖，所以考虑使用单例模式，下面从网上查找归纳了一些方法做个记录

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

单例类只能有一个实例。

单例类必须自己创建自己的唯一实例。

单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

介绍

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：

一个班级只有一个班主任。

Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。

一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：

在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。

避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

要求生产唯一序列号。

WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。

创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo，我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

步骤 1

创建一个 Singleton 类。
SingleObject.java

public class SingleObject {

    //创建 SingleObject 的一个对象
    private static SingleObject instance = new SingleObject();

    //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
    private SingleObject() {}

    //获取唯一可用的对象
    public static SingleObject getInstance() {
        return instance;
    }

    public void showMessage() {
        System.out.println("Hello Singleton.");
    }

}
步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。
SingletonPatternDemo.java

public class SingletonPatternDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //不合法的构造函数
        //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
        //SingleObject object = new SingleObject();

        //获取唯一可用的对象

        SingleObject object1 = SingleObject.getInstance();
        SingleObject object2 = SingleObject.getInstance();
        System.out.println(object1);
        System.out.println(object2);

    }

}
步骤 3

验证输出。
com.jourwon.designpattern.creational.singleton.SingleObject@1b6d3586
com.jourwon.designpattern.creational.singleton.SingleObject@1b6d3586
单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，如下所示：

1、懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

实现难度：易

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。

这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

代码实例：
public class Singleton1 {

    private static Singleton1 instance;

    private Singleton1() {}

    public static Singleton1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance =  new Singleton1();
        }
        return instance;
    }
} 
接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。

2、懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。

优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。

缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。

getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

代码实例：
public class Singleton2 {
    private static Singleton2 instance;
    private Singleton2() {}
    public static synchronized Singleton2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton2();
        }
        return instance;
    }

}
3、饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。

优点：没有加锁，执行效率会提高。

缺点：类加载时就初始化，浪费内存。

它基于 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，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

代码实例：
public class Singleton3 {
    private static Singleton3 instance = new Singleton3();
    private Singleton3() {}
    public static Singleton3 getInstance() {
        return instance;
    }

} 
4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。

getInstance() 的性能对应用程序很关键。

代码实例：
public class Singleton4 {

    private static Singleton4 instance;

    private Singleton4() {}

    public static Singleton4 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton4.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton4();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

} 
5、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：一般

描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

代码实例：
public class Singleton5 {

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton5 INSTANCE = new Singleton5();
    }
    private Singleton5() {}
    public static Singleton5 getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
} 
6、枚举

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。

这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。

不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

代码实例：
public enum Singleton6 {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {}

}
7、volatile关键字

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

描述：对于Double-Check这种可能出现的问题（当然这种概率已经非常小了，但毕竟还是有的嘛~），解决方案是：只需要给instance的声明加上volatile关键字即可volatile关键字的一个作用是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障（什么是内存屏障？），这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。注意：volatile阻止的不是singleton = newSingleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。

代码实例：
public class Singleton7 {

    private static volatile Singleton7 instance = null;

    private Singleton7() {}

    public static Singleton7 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton7.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton7();
                }
            }
        }

        return instance;
    }

}
8、使用ThreadLocal实现单例模式（线程安全）

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

描述：ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本，从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。对于多线程资源共享的问题，同步机制采用了“以时间换空间”的方式，而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量，让不同的线程排队访问，而后者为每一个线程都提供了一份变量，因此可以同时访问而互不影响。

代码实例：
public class Singleton8 {
    private static final ThreadLocal<Singleton8> tlSingleton = new ThreadLocal<Singleton8>() {
        @Override
        protected Singleton8 initialValue() {
            return new Singleton8();
        }
    };
    private Singleton8() {}
    public static Singleton8 getInstance() {
        return tlSingleton.get();
    }
}
9、使用CAS锁实现（线程安全）

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

代码实例：
public class Singleton9 {
    private static final AtomicReference<Singleton9> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton9>();
    private Singleton9() {
    }
    public static Singleton9 getInstance() {
        for (; ; ) {
            Singleton9 current = INSTANCE.get();
            if (current != null) {
                return current;
            }
            current = new Singleton9();
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, current)) {
                return current;
            }
        }
    }
}
经验之谈：一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

总结，如果不想使用惰性加载类的话可以使用第 3 中饿汉方式
只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。
如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。
如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

(｡･v･｡)

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java单例模式——详解多种JAVA单例模式的实现，看你这一篇就够了

介绍

实现

1、懒汉式，线程不安全

2、懒汉式，线程安全

3、饿汉式

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

5、登记式/静态内部类

6、枚举

7、volatile关键字

8、使用ThreadLocal实现单例模式（线程安全）

9、使用CAS锁实现（线程安全）

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1、懒汉式，线程不安全

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