单例模式

JAVA设计模式之单例模式
十种常用的设计模式

概念:

java中单例模式是一种常见的设计模式,单例模式的写法有好几种,这里主要介绍两种:懒汉式饿汉式
  单例模式有以下特点

1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

实现方式:

a) 将被实现的类的构造方法设计成private的。
b) 添加此类引用的静态成员变量,并为其实例化。
c) 在被实现的类中提供公共的CreateInstance函数,返回实例化的此类,就是b中的静态成员变量。

饿汉式:
//饿汉式单例类.在类初始化时,已经自行实例化   
public class Singleton1 {  
    private Singleton1() {}  
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();  
    //静态工厂方法   
    public static Singleton1 getInstance() {  
        return single;  
    }  
} 
懒汉式:
//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己   
public class Singleton {  
    private Singleton() {}  
    private static Singleton single=null;  
    //静态工厂方法   
    public static Singleton getInstance() {  
         if (single == null) {    
             single = new Singleton();  
         }    
        return single;  
    }  
} 

懒汉式是线程不安全的,并发环境下很可能出现多个Singleton实例,要实现线程安全,有以下三种方式,都是对getInstance这个方法改造:
1、在getInstance方法上加同步

public static synchronized Singleton getInstance() {  
         if (single == null) {    
             single = new Singleton();  
         }    
        return single;  
}  

2、双重检查锁定

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

3、静态内部类

public class Singleton {    
    private static class LazyHolder {    
       private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();    
    }    
    private Singleton (){}    
    public static final Singleton getInstance() {    
       return LazyHolder.INSTANCE;    
    }    
}    

这种比上面1、2都好一些,既实现了线程安全,又避免了同步带来的性能影响。

饿汉式和懒汉式区别

1、线程安全:

饿汉式天生就是线程安全的,可以直接用于多线程而不会出现问题,

懒汉式本身是非线程安全的,为了实现线程安全有几种写法,分别是上面的1、2、3,这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。

2、资源加载和性能:

饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来,不管之后会不会使用这个单例,都会占据一定的内存,但是相应的,在第一次调用时速度也会更快,因为其资源已经初始化完成,而懒汉式顾名思义,会延迟加载,在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来,第一次调用时要做初始化,如果要做的工作比较多,性能上会有些延迟,之后就和饿汉式一样了。

至于1、2、3这三种实现又有些区别,

第1种,在方法调用上加了同步,虽然线程安全了,但是每次都要同步,会影响性能,毕竟99%的情况下是不需要同步的。
第2种,在getInstance中做了两次null检查,确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步,这样也是线程安全的,同时避免了每次都同步的性能损耗。
第3种,利用了classloader的机制来保证初始化instance时只有一个线程,所以也是线程安全的,同时没有性能损耗,所以一般我倾向于使用这一种。

实例分析

以下是一个单例类使用的例子,以懒汉式为例,这里为了保证线程安全,使用了双重检查锁定的方式:

//懒汉式单例
public class TestSingleton {  
    String name = null;  
  
    private TestSingleton() {}  
  
    private static volatile TestSingleton instance = null;  
  
    public static TestSingleton getInstance() {  
           if (instance == null) {    
             synchronized (TestSingleton.class) {    
                if (instance == null) {    
                   instance = new TestSingleton();   
                }    
             }    
           }   
           return instance;  
    }  
  
    public String getName() {  
        return name;  
    }  
  
    public void setName(String name) {  
        this.name = name;  
    }  
  
    public void printInfo() {  
        System.out.println("the name is " + name);  
    }  
}  

测试:

public class TMain {  
    public static void main(String[] args){  
        TestStream ts1 = TestSingleton.getInstance();  
        ts1.setName("jason");  
        TestStream ts2 = TestSingleton.getInstance();  
        ts2.setName("0539");  
          
        ts1.printInfo();  
        ts2.printInfo();  
          
        if(ts1 == ts2){  
            System.out.println("创建的是同一个实例");  
        }else{  
            System.out.println("创建的不是同一个实例");  
        }  
    }  
}  

运行结果:

单例模式_第1张图片

结论:由结果可以得知 单例模式为一个面向对象的应用程序提供了对象惟一的访问点,不管它实现何种功能,整个应用程序都会同享一个实例对象

单例模式的优缺点:

优点

1.在单例模式中,活动的单例只有一个实例,对单例类的所有实例化得到的都是相同的一个实例。这样就 防止其它对象对自己的实例化,确保所有的对象都访问一个实例
2.单例模式具有一定的伸缩性,类自己来控制实例化进程,类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。
3.提供了对唯一实例的受控访问。
4.由于在系统内存中只存在一个对象,因此可以 节约系统资源,当 需要频繁创建和销毁的对象时单例模式无疑可以提高系统的性能。
5.允许可变数目的实例。
6.避免对共享资源的多重占用。

缺点

1.不适用于变化的对象,如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化,单例就会引起数据的错误,不能保存彼此的状态。
2.由于单利模式中没有抽象层,因此单例类的扩展有很大的困难。
3.单例类的职责过重,在一定程度上违背了“单一职责原则”。
4.滥用单例将带来一些负面问题,如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类,可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出;如果实例化的对象长时间不被利用,系统会认为是垃圾而被回收,这将导致对象状态的丢失。

使用注意事项

1.使用时不能用反射模式创建单例,否则会实例化一个新的对象
2.使用懒单例模式时注意线程安全问题
3.单例模式和懒单例模式构造方法都是私有的,因而是不能被继承的,有些单例模式可以被继承(如登记式模式)

适用场景:

单例模式只允许创建一个对象,因此节省内存,加快对象访问速度,因此对象需要被公用的场合适合使用,如多个模块使用同一个数据源连接对象等等。如:

1.需要频繁实例化然后销毁的对象。
2.创建对象时耗时过多或者耗资源过多,但又经常用到的对象。
3.有状态的工具类对象。
4.频繁访问数据库或文件的对象。

以下都是单例模式的经典使用场景

1.资源共享的情况下,避免由于资源操作时导致的性能或损耗等。如上述中的日志文件,应用配置。
2.控制资源的情况下,方便资源之间的互相通信。如线程池等。

应用场景举例:

1.外部资源:每台计算机有若干个打印机,但只能有一个PrinterSpooler,以避免两个打印作业同时输出到打印机。内部资源:大多数软件都有一个(或多个)属性文件存放系统配置,这样的系统应该有一个对象管理这些属性文件

  1. Windows的TaskManager(任务管理器)就是很典型的单例模式(这个很熟悉吧),想想看,是不是呢,你能打开两个windows task manager吗? 不信你自己试试看哦~
  1. windows的Recycle Bin(回收站)也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中,回收站一直维护着仅有的一个实例。
  1. 网站的计数器,一般也是采用单例模式实现,否则难以同步。
  1. 应用程序的日志应用,一般都何用单例模式实现,这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态,因为只能有一个实例去操作,否则内容不好追加。
  1. Web应用的配置对象的读取,一般也应用单例模式,这个是由于配置文件是共享的资源。
  1. 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式,因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池,主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗,这种效率上的损耗还是非常昂贵的,因为何用单例模式来维护,就可以大大降低这种损耗。
  1. 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式,这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。
  1. 操作系统的文件系统,也是大的单例模式实现的具体例子,一个操作系统只能有一个文件系统。
  1. HttpApplication 也是单例的典型应用。熟悉ASP.Net(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式,所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例.

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