二十三天搞懂设计模式之单例模式的七种写法

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1. 介绍

单例模式（Singletion Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。

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对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

• 单例类只能有一个实例
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例
• 单例类必须给其他对象提供这一实例

2. 使用场景

• 要求生产唯一的序列号
• WEB中的计数器，不用每次都去数据库里加一次，用单例缓存起来
• 创建一个对象需要消耗的资源过多，比如I/O与数据库的连接

优点

• 在内存中只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例
• 避免对资源的多重占用

缺点

• 没有接口、不能继承
• 只关心内部逻辑，不考虑外部如何实例化

3. 九种实现方法

3.1 饿汉式 V1.0

• 当该类被加载到内存时，就会实例化一个单例，JVM 保证其线程安全
• 唯一缺点：不管能不能用到，类装载时就会完成实例化
• 评价：简单实用，推荐使用

public class Mgr01 {

    private static final Mgr01 INSTANCE = new Mgr01();

    private Mgr01() {
    }

    public static Mgr01 getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Mgr01 mgr01 = Mgr01.getInstance();
        Mgr01 mgr02 = Mgr01.getInstance();
        System.out.println(mgr01 == mgr02);
    }
}

3.2 饿汉式 V2.0

• 饿汉式2.0版本对于饿汉式1.0版本来说，将原本的实例化放入了static代码块中
• 评价：面试可以简单提一下，除了装逼，没啥作用

public class Mgr02 {
    private static final Mgr02 INSTANCE;

    static {
        INSTANCE = new Mgr02();
    }

    private Mgr02() {
    }

    public static Mgr02 getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

3.3 懒汉式 V1.0

• 只有我需要的时候，我才会去进行实例化，达到了按需初始化的目的
• 缺点：不支持多线程，因为没有加锁，在多线程状态下不能正常工作

public class Mgr03 {
    private static Mgr03 INSTANCE;

    private Mgr03() {

    }

    public static Mgr03 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            INSTANCE = new Mgr03();
        }
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Mgr03.getInstance().hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

3.4 懒汉式 V2.0

• 相较于 1.0 版本，在 2.0 版本中加入了 synchronized 关键字保证其实例化。
• 缺点：加锁会影响效率

public class Mgr04 {
    private static Mgr04 INSTANCE;

    private Mgr04() {

    }

    public static synchronized Mgr04 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            INSTANCE = new Mgr04();
        }
        return INSTANCE;
    }

   
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Mgr04.getInstance().hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

3.4 懒汉式测试 V3.0

• 这是懒汉式的一个 测试 的升级版本
• 相较于 2.0 版本，主要对 synchronized 的位置进行了优化
• 缺点：当两个线程同时进入到该方法且 INSTANCE 为NULL，同样会产生线程不安全的情况
  • 原因：当后来的线程夺取到CPU的执行权时，会再次创建一个Mgr05的实例化
  • 总结：这个测试版本没什么用，只是为了引出DCL，面试的时候让面试官觉得你是个很有思考能力的人

public class Mgr05 {
    private static Mgr05 INSTANCE;
    private Mgr05(){};
    public static Mgr05 getInstance(){
        // 妄想通过减少同步代码块的方式去提高效率，然后不可行
        if(INSTANCE == null){
            synchronized (Mgr05.class){
                try {
                    Thread.sleep(1);
                }catch (Exception e){
                    e.getStackTrace();
                }
                INSTANCE = new Mgr05();
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Mgr05.getInstance().hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

3.5 双端检验锁（DCL，既：double-checked locking）

• 最重要的一个单例，面试装逼手撕必备，更含有 volatile 这一必考点，实乃装逼之神器
• 为什么用双端检锁？
  • 主要为了解决上述懒汉式测试版本出现的无效问题
• 将 synchronized 直接放在外面，里面加一个判断null不可以吗？
  • 可以是可以，但是在一般情况下，多个线程同时走到同一行代码的判断是比较少的
  • 当我们的某个线程已经创建了实例化，我们在外面加一个判断，就会筛过之后的线程，不需要进行锁的争夺
• 为什么用 volatile ?
  • Java 在进行编译的时候，为了使程序效率加快，会将没有相互联系的指令进行指令重排
  • 对象在创建的时候，分为三个阶段
    1. 给 INSTANCE 分配堆内存
    2. 调用 Mgr06 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
    3. 将 INSTANCE 指针指向分配的内存空间（执行完这步 INSTANCE 才是非 null了）
  • 正常来讲：按照 1-2-3 的顺序是不会出错的，但是指令重排可能会出现 1-3-2 的情况，我们的对象还没有初始化成员变量，就已经分配好内存空间，造成数据的严重错误。

public class Mgr06 {
    private volatile static Mgr06 INSTANCE;

    private Mgr06() {
    }
    public static Mgr06 getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Mgr06.class) {
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (Exception e) {
                    e.getStackTrace();
                }
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Mgr06();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Mgr06.getInstance().hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

3.6 静态内部类

• JVM 保证单例，只加载一次
• 加载外部类时不会加载内部类，这样可以实现懒加载，真正的实现了按需加载的目的

public class Mgr07 {
    private Mgr07(){

    }
    private static class Mgr07Handle{
        private static final Mgr07 INSTANCE = new Mgr07();
    }

    public static Mgr07 getInstance(){
        return Mgr07Handle.INSTANCE;
    }
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Mgr07.getInstance().hashCode());
                }
            }).start();
        }
    }
}

3.7 枚举

• 面试可以简单一提，让面试官对你刮目相看
• 方法的出处：Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式
• 它不仅能避免多线程同步问题，还可以防止序列化和反序列化
  • 枚举类没有构造方法
  • 源码规定，在反射的时候，判断该类是否被ENUM修饰，如果是则直接抛出异常，反射失败

public enum Mgr08 {
    INSTANCE;
    public Mgr08 getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

4. 总结

博主在面试小米、美团时被问到这个问题，回答方法也和本文类似，按以下流程回答，方可让面试官刮目相看

• 什么是单例？
• 单例的进化
• 杀手锏DCL双端检验锁
  • 讲清为什么两次检验的原因
  • 讲清 volatile 的指令重排，当然，可直接扩展至可见性，CPU缓存行，看个人发挥
• 最后，提一下静态内部类和枚举

祝大家都能拿到好的offer，有什么问题可以加我微信或者留言