设计模式系列11—单例模式

1 定义与特点

在有些系统中,为了节省内存资源、保证数据内容的一致性,对某些类要求只能创建一个实例,这就是所谓的单例模式。

1.1 定义

单例(Singleton)模式的定义:指一个类只有一个实例,且该类能自行创建这个实例的一种模式。例如,Windows 中只能打开一个任务管理器,这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费,或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。

在计算机系统中,还有 Windows 的回收站、操作系统中的文件系统、多线程中的线程池、显卡的驱动程序对象、打印机的后台处理服务、应用程序的日志对象、数据库的连接池、网站的计数器、Web 应用的配置对象、应用程序中的对话框、系统中的缓存等常常被设计成单例。

1.2 特点

单例模式有 3 个特点:

  • 单例类只有一个实例对象;
  • 该单例对象必须由单例类自行创建;
  • 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点;

1.3 结构

单例模式的主要角色如下。

  • 单例类:包含一个实例且能自行创建这个实例的类。
  • 访问类:使用单例的类。
    其结构图如下:
    image.png

2 优缺点

2.1 单例模式的优点:

  • 在内存中只有一个对象,节省内存空间。
  • 避免频繁的创建销毁对象,可以提高性能。
  • 避免对共享资源的多重占用。
  • 可以全局访问。

2.2 单例模式的缺点:

  • 扩展困难,由于getInstance静态函数没有办法生成子类的实例。如果要拓展,只有重写那个类。
  • 隐式使用引起类结构不清晰。
  • 导致程序内存泄露的问题。

3 使用场景

前面分析了单例模式的结构与特点,以下是它通常适用的场景的特点。

  • 在应用场景中,某类只要求生成一个对象的时候,如一个班中的班长、每个人的身份证号等。
  • 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象,共享该对象可以节省内存,并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。
  • 当某类需要频繁实例化,而创建的对象又频繁被销毁的时候,如多线程的线程池、网络连接池等。

4 实现

构造单例模式的三个要点:

  • 构造方法私有化
  • 指向自己实例的私有静态引用
  • 以自己实例为返回值的静态的公有的方法

Singleton 模式通常有两种实现形式,一种是饿汉式单例,一种是懒汉式单例。饿汉式单例在单例类被加载时候,就实例化一个对象交给自己的引用;而懒汉式在调用取得实例方法的时候才会实例化对象。

4.1 饿汉式

该模式的特点是类加载时没有生成单例,只有当第一次调用 getlnstance 方法时才去创建这个单例。代码如下:

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

4.2 懒汉式

该模式的特点是类一旦加载就创建一个单例,保证在调用 getInstance 方法之前单例已经存在了。

public class Singleton {  
    private static Singleton singleton;  
    private Singleton(){}  

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

在多线程分场景下,单例模式还有一种比较常见的形式:双重锁的形式

public class Singleton{    
    private static volatile Singleton instance=null;    
    private Singleton(){        
    //do something
    }    
    public static  Singleton getInstance(){        
        if(instance==null){            
            synchronized(SingletonClass.class){                
                if(instance==null){
                    instance=new Singleton();
                }
            }
        }        
    return instance;
     }
}

这个模式将同步内容下方到if内部,提高了执行的效率,不必每次获取对象时都进行同步,只有第一次才同步,创建了以后就没必要了。

这种模式中双重判断加同步的方式,比第一个例子中的效率大大提升,因为如果单层if判断,在服务器允许的情况下,假设有一百个线程,耗费的时间为100*(同步判断时间+if判断时间),而如果双重if判断,100的线程可以同时if判断,理论消耗的时间只有一个if判断的时间。

所以如果面对高并发的情况,而且采用的是懒汉模式,最好的选择就是双重判断加同步的方式。

5 常见问题

5.1 单例模式注意事项

  • 只能使用单例类提供的方法得到单例对象,不要使用反射,否则将会实例化一个新对象。
  • 不要做断开单例类对象与类中静态引用的危险操作。
  • 多线程使用单例使用共享资源时,注意线程安全问题。

5.2 单例模式的对象长时间不用会被jvm垃圾收集器收集吗

除非人为地断开单例中静态引用到单例对象的联接,否则jvm垃圾收集器是不会回收单例对象的。

jvm卸载类的判定条件如下:

  • 该类所有的实例都已经被回收,也就是java堆中不存在该类的任何实例。
  • 加载该类的ClassLoader已经被回收。
  • 该类对应的java.lang.Class对象没有任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

只有三个条件都满足,jvm才会在垃圾收集的时候卸载类。显然,单例的类不满足条件一,因此单例类也不会被回收。

5.3 在一个jvm中会出现多个单例吗

在分布式系统、多个类加载器、以及序列化的的情况下,会产生多个单例,这一点是无庸置疑的。那么在同一个jvm中,会不会产生单例呢?使用单例提供的getInstance()方法只能得到同一个单例,除非是使用反射方式,才会得到新的单例。

代码如下:

Class c = Class.forName(Singleton.class.getName());  
Constructor ct = c.getDeclaredConstructor();  
ct.setAccessible(true);  
Singleton singleton = (Singleton)ct.newInstance();

这样,每次运行都会产生新的单例对象。所以运用单例模式时,一定注意不要使用反射产生新的单例对象。

5.4 在getInstance()方法上同步有优势还是仅同步必要的块更优优势?

因为锁定仅仅在创建实例时才有意义,然后其他时候实例仅仅是只读访问的,因此只同步必要的块的性能更优,并且是更好的选择。

缺点:只有在第一次调用的时候,才会出现生成2个对象,才必须要求同步。而一旦singleton 不为null,系统依旧花费同步锁开销,有点得不偿失。

5.5 单例类可以被继承吗

根据单例实例构造的时机和方式不同,单例模式还可以分成几种。但对于这种通过私有化构造函数,静态方法提供实例的单例类而言,是不支持继承的。这种模式的单例实现要求每个具体的单例类自身来维护单例实例和限制多个实例的生成。

但可以采用另外一种实现单例的思路:登记式单例,来使得单例对继承开放。

更新时间:2020-08-27 09:41:46

本文由 清水河恶霸 创作,如果您觉得本文不错,请随意赞赏
采用 知识共享署名4.0 国际许可协议进行许可
本站文章除注明转载/出处外,均为本站原创或翻译,转载前请务必署名
原文链接:http://ql.magic-seven.top/2020/08/27/设计模式系列10单例模式.html
最后更新:2020-08-27 09:41:46

评论

Your browser is out of date!

Update your browser to view this website correctly. Update my browser now

×