設計模式之單例模式

xuweijian 發布于2019-08-16 12:42 / 1236人閱讀

摘要：這種情況帶來的后果是程序兩次創建了對象，這并不符合我們對單例模式的定義。實現的三個特性自由序列化線程安全保證單例。其次，有且僅有的構造器，防止外部的額外構造，這恰好與單例模式吻合。

單例模式保證一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點。當系統需要某個類只能有一個實例時，就可以采用單例模式。

保證單例模式僅有一個實例的核心思想是構造方法私有化，即不允許外部調用該類的構造方法。基于此思想，主要有以下兩種實現方式：

直接實例化

直接實例化這種方式也稱作“餓漢式”，它直接定義了靜態成員變量 s，并通過 new Singleton() 完成了初始化，之后不再變化，是線程安全的。
這種方式也存在一定的資源浪費，當沒有使用 Singleton 對象時，程序依然會創建 Singleton 對象。

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static final Singleton s = new Singleton();
    public static Singleton getInstance() {
        return s;
    }
}

延遲實例化

既然直接實例化浪費資源，那么我們是否可以考慮，在程序需要該對象的時候才創建它呢？當然可以！
與直接實例化稍不同，單例成員變量 s 初始為 null，它在方法 getInstance() 內部完成延遲實例化，并返回單例對象。

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static Singleton s = null;
    public static Singleton getInstance() {
        if (s == null) {
            s = new Singleton();
        }
        return s;
    }
}

這種方式存在線程安全問題。例如，假設兩個線程調用 getInstance() 方法，線程 1 執行完 if(s == null)，條件成立，在執行實例化語句 s = new Singleton() 之前，線程 2 來了，此時線程 2 執行 if(s == null)，依然成立，進入 if 語句體。這種情況帶來的后果是：程序兩次創建了對象，這并不符合我們對單例模式的定義。

針對這種情況，可以有以下四種解決方法：

完全同步

完全同步方法，是在方法上加上 synchronized 同步。當多線程同時訪問 getInstance() 方法時，多線程是“串行”的。

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

這種方法，多線程每次訪問 getInstance() 都必須“串行”運行，效率比較低。

部分同步

部分同步方法通過雙重鎖部分同步機制獲得單例對象。因為代碼中有兩行相同的語句 if(s == null)，故而叫做雙重鎖。第一個 if 語句可并行，當多線程均滿足該條件， synchronized 修飾的代碼必須串行運行。這樣的話，其實只需要在第一次創建對象（通過了第一個 if 判斷）的時候進行同步，效率較高。

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

注意，volatile關鍵字是確保當 s 被初始化成 Singleton 實例時，多個線程可以正確處理 s，即內存可見性。

靜態內部類

通過靜態內部類 Inner 來實現單例對象。虛擬機加載應用程序字節碼時，單例對象并不會立即創建，當第一次運行 Inner.s 時，單例對象才動態生成。這種實現方式無 synchronized 關鍵字，提高了效率。

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

枚舉

這是單例模式的最佳實踐，它實現簡單，并且在面對復雜的序列化或者反射攻擊的時候，能夠防止實例化多次。調用的時候只需要 Singleton.INSTANCE 即可。

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    // var here
    public int var;

    // methods here
    public void otherMethods() {
        System.out.println("write other methods here...");
    }
}

enum 實現 Singleton 的三個特性：自由序列化、線程安全、保證單例。

首先， enum 是由 class 實現的，它可以有 member 和 member function。另外，由于 enum 是通過繼承 Enum 類實現的，enum 結構不能作為子類繼承其他類，但可以用來實現接口。此外 enum 類不能被繼承，在反編譯中，可以發現該類由 final 修飾。

其次，enum 有且僅有 private 的構造器，防止外部的額外構造，這恰好與單例模式吻合。

而對于序列化和反序列化，因為每一個枚舉類型和枚舉變量在 JVM 中都是唯一的，即 Java在序列化和反序列化枚舉時做了特殊的規定，枚舉的 writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace 和 readResolve 等方法是被編譯器禁用的，因此也不存在實現序列化接口后調用readObject 會破壞單例的問題。

（完）

參考資料

GPU云服務器云服務器單例模式單例模式實現單例模式總結 pdo單例模式

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