详解Java单例模式的实现与原理剖析

一、什么是单例模式

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

  • 单例模式只能由一个实例对象
  • 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。

二、哪些地方用到了单例模式

单例模式经常用在需要一个实例的程序中,例如

1.Spring框架IOC容器就使用到了单例模式,默认创建对象的时候为单例模式

2.ResultBean 后端统一返回给前端的封装类,这个在项目中是唯一的,只用一个对象进行返回JSON给前端进行渲染

JDK中也有单例模式的身影,例

  • Runtime 体现了饿汉式单例
  • Console 体现了双检锁懒汉式单例
  • Collections 中的 EmptyNavigableSet 内部类懒汉式单例
  • ReverseComparator.REVERSE_ORDER 内部类懒汉式单例
  • Comparators.NaturalOrderComparator.INSTANCE 枚举饿汉式单例

三、单例模式的优缺点

优点

提供了对唯一实例的访问

可以节约系统资源,提高系统的性能,减少不必要的内存开销

允许可变数目的实例(多例类)

缺点

扩展困难(缺少抽象层)

单例类的职责过重

由于自动垃圾回收机制,可能会导致共享的单例对象的状态丢失

四、手写单例模式

饿汉式

package com.wanshi.single;

//饿汉式单例
public class Hungry {


    //会造成资源浪费,占用CPU
    private byte[] data1 = new byte[1024*1024];
    private byte[] data2 = new byte[1024*1024];
    private byte[] data3 = new byte[1024*1024];
    private byte[] data4 = new byte[1024*1024];


    private Hungry() {
        System.out.println("Hungry init...");
    }


    private static Hungry hungry = new Hungry();

    public static Hungry getInstance() {
        return hungry;
    }
}

class Test {
	public static void main(String[] args) {
        Hungry hungry = Hungry.getInstance();
        Hungry hungry2 = Hungry.getInstance();
        System.out.println(hungry);
        System.out.println(hungry2);
    }
}

枚举饿汉式

package com.wanshi.single;

import java.lang.reflect.Constructor;

// enum 是一个class类
public enum EnumSingle {

    INSTANCE;

    public static EnumSingle getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

class Test {

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        EnumSingle instance1 = EnumSingle.INSTANCE;
        Constructor declaredConstructor = EnumSingle.class.getDeclaredConstructor(String.class, int.class);
        declaredConstructor.setAccessible(true);

        EnumSingle instance2 = declaredConstructor.newInstance();

        System.out.println(instance1);
        System.out.println(instance2);
    }
}

在这里自行下载jad编译工具即可

详解Java单例模式的实现与原理剖析_第1张图片

枚举类最后反编译源码

jad工具反编译

jad -sjava EnumSingle.class

// Decompiled by Jad v1.5.8g. Copyright 2001 Pavel Kouznetsov.
// Jad home page: http://www.kpdus.com/jad.html
// Decompiler options: packimports(3) 
// Source File Name:   EnumSingle.java

package com.wanshi.single;


public final class EnumSingle extends Enum
{

    public static EnumSingle[] values()
    {
        return (EnumSingle[])$VALUES.clone();
    }

    public static EnumSingle valueOf(String name)
    {
        return (EnumSingle)Enum.valueOf(com/wanshi/single/EnumSingle, name);
    }

    private EnumSingle(String s, int i)
    {
        super(s, i);
    }

    public static EnumSingle getInstance()
    {
        return INSTANCE;
    }

    public static final EnumSingle INSTANCE;
    private static final EnumSingle $VALUES[];

    static 
    {
        INSTANCE = new EnumSingle("INSTANCE", 0);
        $VALUES = (new EnumSingle[] {
            INSTANCE
        });
    }
}

DCL懒汉式

package com.wanshi.single;

public class Lazy {

    private static Lazy lazy;

    public static Lazy getInterface() {
        synchronized (Lazy.class) {
            if (lazy == null) {
                lazy = new Lazy();
            }
        }
        return lazy;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Lazy lazy = Lazy.getInterface();
        Lazy lazy2 = Lazy.getInterface();
        System.out.println(lazy);
        System.out.println(lazy2);
    }
}

双检锁懒汉式

package com.wanshi.single;

import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.Field;

public class LazyMan {


    private static boolean flag = false;

    private LazyMan() {
        synchronized (this) {
            if (!flag) {
                flag = true;
            } else {
                throw new RuntimeException("不要试图通过反射破坏对象");
            }
        }
    }

    private volatile static LazyMan lazyMan;

    //双重检查锁,懒汉式(DCL懒汉式)
    public static LazyMan getInstance() {
        if (lazyMan == null) {
            synchronized (LazyMan.class) {
                if (lazyMan == null) {
                    //不是原子性操作,1.分配内存空间,2.执行构造方法,3.把对象指向这个空间 指令重排可能会发生   加上volatile关闭指令重排
                    lazyMan = new LazyMan();
                }
            }
        }
        return lazyMan;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
//        LazyMan lazyMan1 = LazyMan.getInstance();

        Field flag = LazyMan.class.getDeclaredField("flag");
        flag.setAccessible(true);


        Constructor declaredConstructor = LazyMan.class.getDeclaredConstructor(null);

        declaredConstructor.setAccessible(true);
        LazyMan lazyMan1 = declaredConstructor.newInstance();
        flag.set(lazyMan1, false);
        LazyMan lazyMan2 = declaredConstructor.newInstance();
        System.out.println(lazyMan1);
        System.out.println(lazyMan2);
    }
}

为什么要使用 volatile 关键字呢

不是原子性操作

1.分配内存空间

2.执行构造方法

3.把对象指向这个空间

指令重排可能会发生 加上volatile关闭指令重排

内部类懒汉式

package com.wanshi.single;

public class Holder {

    private Holder() {

    }

    public static class InnerClass {
        private static final Holder HOLDER = new Holder();
    }
}

案例全部通过测试!

小结

单例模式共有5种创建方式,分别为饿汉式、DCL懒汉式、双检锁懒汉式、Enum枚举饿汉式,内部类懒汉式,这几种方式要掌握,项目中对于全局唯一的对象将其封装为单例模式,开箱即用,非常方便,以及面试中,会让手写单例模式,可谓是大厂必备!

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