设计模式学习(4) 23-1 单例模式

0.个人感悟

• 单例是老生常谈的模式。工作中也用的很多，比如各种全局管理类、工厂类。结合场景，选择合适的实现方式
• 它核心思路是想办法让类只有一个实例，对外只提供一个获取实例的方法(封装)，然后是安全和效率考虑
  • 自己实现
    • 提前将实例准备好-饿汉
      • 静态常量 静态代码块 效率低
    • 使用时再创建实例-懒汉
      • 初版实现 不安全
      • 进阶版-同步方法 效率低
      • 终级版-双重检查 兼顾安全和效率 推荐
  • JVM机制
    • 静态内部类 推荐
    • 枚举 推荐
• 扩展知识点。在代码示例后面罗列了扩展知识点(比如类加载等)和了解这些知识点的书籍推荐，感兴趣可以引申学习下，我也留些坑，后续记录相关知识点时链接过去

1.概念

Intent: Ensure a class only has one instance, and provide a global point of access to it. – 《Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software》

翻译:

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

理解:
采取一定的方法使得某个类在整个系统中，有且仅有一个实例

2.适配场景

与定义适配，某个类没有状态的概念，仅需要有一个全局唯一的实例，比如各种工厂类、管理类等

3.实现方法

• 实例静态化，与class绑定
• 私有化构造方法
• 对外提供唯一静态方法

3.1 饿汉式

3.1.1 实现

饿汉顾名思义，很饿，想提供者赶紧做好
写法1：静态常量写法

/** * @Description 单例示例 饿汉-静态常量 * @Author bigHao * @Date 2025/12/17 */publicclassSingleton{// 2.静态常量，类加载时便创建privatestaticfinalSingletoninstance=newSingleton();// 1.构造方法私有privateSingleton(){}// 3.只暴露一个公共静态方法，返回实例/** * @return Singleton 单例 * @description 获取单例 * @author bigHao * @date 2025/12/17 **/publicstaticSingletongetInstance(){returninstance;}}

写法2：静态代码块写法

/** * @Description 单例示例 饿汉-静态代码块 * @Author bigHao * @Date 2025/12/17 */publicclassSingleton{privatestaticfinalSingletoninstance;// 静态常量，静态块加载static{instance=newSingleton();}privateSingleton(){}/** * @return Singleton 单例 * @description 获取单例 * @author bigHao * @date 2025/12/17 **/publicstaticSingletongetInstance(){returninstance;}}

调用方式：都是通过Class.获取实例方法

publicclassTest{staticvoidmain(){// 调用方只能通过暴露的方法调用，无法new的方式创建实例Singletoninstance=Singleton.getInstance();}}

3.1.2 优缺点

• 优点：
  • 写法简单，JVM加载类时创建对象，避免线程安全问题
• 缺点：
  • 内存浪费。未实现懒加载(lazy loding)

3.1.3 涉及知识点

1. 类的加载机制和生命周期
   推荐书籍：《深入理解Java虚拟机》

3.2 懒汉式-线程不安全

3.2.1 实现方法

需要的时候再创建实例

/** * 单例示例 懒汉-线程不安全 */publicclassSingleton{privatestaticSingletoninstance;privateSingleton(){}/** * @return Singleton 单例 * @description 获取单例-线程不安全 * @author bigHao * @date 2025/12/17 **/publicstaticSingletongetInstance(){// 非原子操作，多线程场景会有多个线程进入到if内，从而创建多个实例if(instance==null){instance=newSingleton();}returninstance;}}

多线程场景，可能会有多个线程同时执行if中的代码，创建多个实例
测试

/** * @Description 测试单例-懒汉-线程不安全 * @Author bigHao * @Date 2025/12/17 */publicclassTest{staticvoidmain(){// 测试线程不安全Set<String>instanceSet=newHashSet<>(100);// 多线程获取100次实例for(inti=0;i<100;i++){newThread(()->{instanceSet.add(Singleton.getInstance().toString());}).start();}// 因为set会去重，这里如果size不为1，意味着线程不安全，多个实例System.out.println(STR."instance size \{instanceSet.size()} 线程是否安全: \{1 == instanceSet.size()} ");// false}}

3.2.2 优缺点

• 优点：
  • 实现了懒加载，节约空间
• 缺点：
  • 线程不安全

3.2.3 涉及知识点

3.3 懒汉式-同步方法

3.3.1 实现方法

静态方法加锁

/** * @Description 单例示例 懒汉-同步方法 * @Author bigHao * @Date 2025/12/17 */publicclassSingleton{privatestaticSingletoninstance;privateSingleton(){}/** * @return Singleton 单例 * @description 获取单例-同步方法 * @author bigHao * @date 2025/12/17 **/publicstaticsynchronizedSingletongetInstance(){// 只实例化一次if(instance==null){instance=newSingleton();}returninstance;}}

3.3.2 优缺点

• 优点：
  • 实现了懒加载
  • 线程安全
• 缺点：
  • 效率低。所有线程都需要进行同步

3.4 懒汉式-双重检查

3.4.1 实现方法

• 双重检查，第一次检查可以过滤掉一些线程，直接获取创建好的实例
  第二次检查，加锁，只有一个线程进行对象创建
• 使用volatile关键字，禁止指令重排，保证创建操作的原子性

/** * @Description 单例示例 双重检查+禁止指令重排 * @Author bigHao * @Date 2025/12/17 */publicclassSingleton{// volatile 禁止JVM对这个对象涉及到的代码重排序privatestaticvolatileSingletoninstance;privateSingleton(){}/** * @return Singleton 单例 * @description 获取单例-双重检查 * @author bigHao * @date 2025/12/17 **/publicstaticSingletongetInstance(){// 第一次判断示例是否存在；多线程场景下会放过一些线程if(instance==null){// 再次判断，针对被放过的线程，这里加锁进行等待synchronized(Singleton.class){if(instance==null){instance=newSingleton();}}}returninstance;}}

3.4.2 优缺点

• 优点：
  • 实现了懒加载
  • 线程安全
  • 双重检查，效率高

3.4.3 涉及知识点

1. 指令重排
   JVM创建实例时一般分为以下几步:
   1. 开辟内存空间
   2. 初始化对象
   3. 实例的引用指向第1步中的空间地址
      JVM优化代码过程中，可能对步骤进行了优化，变成132，这样就有很多意想不到的问题。
      推荐书籍:《Java并发编程实战》

3.5 静态内部类

3.5.1 实现方法

利用静态内部类的机制，JVM帮助实现:

• 静态内部类在需要的时候才被实例化
• 加载的时候只有一个线程

/** * @Description 单例示例 静态内部类 * @Author bigHao * @Date 2025/12/17 */publicclassSingleton{privateSingleton(){}// 静态内部类privatestaticclassSingletonInstance{privatestaticfinalSingletonINSTANCE=newSingleton();}/** * @return Singleton 单例 * @description 获取单例-静态内部类 * @author bigHao * @date 2025/12/17 **/publicstaticSingletongetInstance(){returnSingletonInstance.INSTANCE;}}

3.5.2 优缺点

• 优点：
  • 实现了懒加载
  • 线程安全
  • 只初始一次，效率高

3.5.3 涉及知识点

1. 静态内部类的加载机制和生命周期
   推荐书籍：《深入理解Java虚拟机》

3.6 枚举

利用枚举机制，JVM帮助实现:

• 加载的时候只有一个线程
• 防止被反射的方式创建新的对象

3.6.1 实现方法

/** * @Description 单例示例 枚举 * @Author bigHao * @Date 2025/12/17 */publicenumSingleton{INSTANCE;publicvoidmockMethod(){System.out.println("use success.");}}

调用

/** * @Description 单例测试 枚举 * @Author bigHao * @Date 2025/12/17 */publicclassTest{staticvoidmain(){Singletoninstance=Singleton.INSTANCE;instance.mockMethod();}}

3.6.2 优缺点

• 优点：
  • 线程安全
  • 防止被反射的方式创建新对象

3.6.3 涉及知识点

1. 枚举类的加载机制和生命周期
   推荐书籍：《深入理解Java虚拟机》

4.源码体现

jdk中Runtime类使用的就是经典的单例模式(饿汉式)

• 韩顺平 Java设计模式
• H_D 【Java】单例模式双重检查锁（double-checked locking