1、單例模式介紹

單例模式（Singleton），保證一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問(wèn)它的全局訪問(wèn)點(diǎn)。

通常我們可以讓一個(gè)全局變量使得一個(gè)對(duì)象被訪問(wèn)，但它不能防止你 實(shí)例化多個(gè)對(duì)象。一個(gè)最好的辦法就是，讓類自身負(fù)責(zé)保存它的唯一實(shí)例。 這個(gè)類可以保證沒(méi)有其他實(shí)例可以被創(chuàng)建，并且它可以提供一個(gè)訪問(wèn)該實(shí)例 的方法。

1.1 單例模式結(jié)構(gòu)圖

Singleton類，定義一個(gè)GetInstance操作，允許客戶訪問(wèn)它的唯一實(shí)例。GetInstance是一個(gè)靜態(tài)方法，主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建自己的唯一實(shí)例。

/**
 * @author Shier
 * CreateTime 2023/5/14 9:23
 * 單例模式
 */
public class Singleton {
    private static Singleton singleton;
    /**
     * 無(wú)參構(gòu)造 防止外部代碼利用new來(lái)實(shí)例化的可能
     */
    private Singleton() {
    }
    /**
     * 只能通過(guò)此途徑獲取Singleton實(shí)例
     * @return
     */
    public static Singleton getInstance() {
        // 為空，則創(chuàng)建實(shí)例
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        // 不為空，則已創(chuàng)建，直接返回實(shí)例
        return singleton;
    }
}

客戶端：

/**
 * @author Shier
 * CreateTime 2023/5/14 9:27
 */
public class SingletonClient {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        if (instance1 == instance2) {
            System.out.println("兩個(gè)是同一個(gè)實(shí)例對(duì)象");
        }
    }
}

最終得到的：“兩個(gè)是同一個(gè)實(shí)例對(duì)象”，因此單例模式保證了可以被唯一實(shí)例化。當(dāng)然單例模式不止這些好處。下面再來(lái)細(xì)說(shuō)

2、具體例子說(shuō)明

假設(shè)我們有一個(gè)流水號(hào)生成器，用于在系統(tǒng)中生成唯一的流水號(hào)。這個(gè)流水號(hào)生成器需要保證在整個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè)實(shí)例存在，以確保生成的流水號(hào)是唯一的。也就是類似于我們?cè)谕饷娉燥堻c(diǎn)菜呀什么的，買(mǎi)單后，商家會(huì)給你一個(gè)單號(hào)，到你了，就讓你去拿屬于你的飯菜。

2.1 不使用單例模式

首先，我們創(chuàng)建一個(gè)名為SerialNumberGenerator的類，用于生成流水號(hào)：

/**
 * @author Shier
 * CreateTime 2023/5/14 9:30
 * 流水號(hào)例子
 */
public class SerialNumberGenerator {
    private int serialNumber;
    /**
     * 外界可以實(shí)例化SerialNumberGenerator
     */
    public SerialNumberGenerator() {
        serialNumber = 0;
    }
    public int generateSerialNumber() {
        serialNumber++;
        return serialNumber;
    }
}

現(xiàn)在，我們可以在不同的地方創(chuàng)建多個(gè)SerialNumberGenerator的實(shí)例并嘗試生成流水號(hào)：

/**
 * @author Shier
 * CreateTime 2023/5/14 9:31
 * 客戶端
 */
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SerialNumberGenerator generator1 = new SerialNumberGenerator();
        int serialNumber1 = generator1.generateSerialNumber();
        System.out.println("流水號(hào)1: " + serialNumber1);
        SerialNumberGenerator generator2 = new SerialNumberGenerator();
        int serialNumber2 = generator2.generateSerialNumber();
        System.out.println("流水號(hào)2: " + serialNumber2);
    }
}

結(jié)果：

流水號(hào)1: 1
流水號(hào)2: 1

不使用單例模式存在的問(wèn)題：

• 生成重復(fù)流水號(hào)：由于我們可以在不同的地方創(chuàng)建多個(gè)SerialNumberGenerator實(shí)例，每個(gè)實(shí)例都會(huì)有自己的serialNumber變量。這可能導(dǎo)致在不同的實(shí)例中生成相同的流水號(hào)，從而產(chǎn)生重復(fù)的流水號(hào)。
• 沒(méi)有共享狀態(tài)：每個(gè)SerialNumberGenerator實(shí)例都會(huì)維護(hù)自己的serialNumber變量，這導(dǎo)致每個(gè)實(shí)例生成的流水號(hào)不會(huì)互相影響。這意味著如果我們想要全局唯一的流水號(hào)，就需要在各個(gè)地方共享同一個(gè)SerialNumberGenerator實(shí)例，而不是創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例。
• 難以管理和控制：在多個(gè)地方分別創(chuàng)建和管理SerialNumberGenerator實(shí)例會(huì)增加代碼的復(fù)雜性。我們需要確保在需要流水號(hào)的每個(gè)地方都使用同一個(gè)實(shí)例，否則會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題。這增加了代碼維護(hù)的難度，并且容易在系統(tǒng)的不同部分中出現(xiàn)錯(cuò)誤使用的情況。
• 重復(fù)的流水號(hào)：如果多個(gè)地方都可以創(chuàng)建流水號(hào)生成器的實(shí)例，那么每個(gè)實(shí)例都有可能生成相同的流水號(hào)，導(dǎo)致重復(fù)的流水號(hào)出現(xiàn)。
• 資源浪費(fèi)：如果每個(gè)部分都創(chuàng)建自己的流水號(hào)生成器實(shí)例，那么會(huì)造成資源的浪費(fèi)，例如每個(gè)實(shí)例都需要獨(dú)立維護(hù)和生成流水號(hào)的狀態(tài)。
• 一致性問(wèn)題：如果多個(gè)流水號(hào)生成器實(shí)例同時(shí)生成流水號(hào)，可能會(huì)導(dǎo)致不同實(shí)例生成的流水號(hào)在順序上出現(xiàn)混亂。

2.2 使用單例模式

使用單例模式的實(shí)現(xiàn)方式有多種，這里我將使用線程安全的懶漢式單例模式，具體實(shí)現(xiàn)如下：

懶漢式單例模式下面再介紹

/**
 * @author Shier
 */
public class SerialNumberGenerator1 {
    private static volatile SerialNumberGenerator instance;
    private int serialNumber;
    /**
     * 防止直接實(shí)例化SerialNumberGenerator1
     */
    private SerialNumberGenerator1() {
        serialNumber = 0;
    }
    /**
     * 獲取SerialNumberGenerator1的唯一方式
     * @return
     */
    public static SerialNumberGenerator getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SerialNumberGenerator.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SerialNumberGenerator();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    /**
     * 生成的流水號(hào)
     * @return
     */
    public int generateSerialNumber() {
        synchronized (SerialNumberGenerator.class) {
            serialNumber++;
            return serialNumber;
        }
    }
}

在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，我們使用了一個(gè)靜態(tài)變量instance來(lái)保存SerialNumberGenerator的唯一實(shí)例。getInstance()方法返回這個(gè)實(shí)例，如果它不存在，則會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例。generateSerialNumber()方法負(fù)責(zé)生成流水號(hào)，使用synchronized關(guān)鍵字來(lái)確保線程安全。

現(xiàn)在，我們可以在不同的地方調(diào)用SerialNumberGenerator.getInstance().generateSerialNumber()來(lái)生成流水號(hào)，并確保它們是唯一的：

/**
 * @author Shier
 */
public class Main1 {
    public static void main(String[] args) {
        int serialNumber1 = SerialNumberGenerator1.getInstance().generateSerialNumber();
        System.out.println("流水號(hào) 1: " + serialNumber1);
        int serialNumber2 = SerialNumberGenerator1.getInstance().generateSerialNumber();
        System.out.println("流水號(hào) 2: " + serialNumber2);
    }
}

通過(guò)使用單例模式，我們解決了不使用單例模式存在的問(wèn)題：

• 確保唯一性：SerialNumberGenerator的唯一實(shí)例可以在系統(tǒng)中被多次調(diào)用，但它們都會(huì)引用同一個(gè)實(shí)例，因此可以保證生成的流水號(hào)是唯一的。
• 共享狀態(tài)：通過(guò)使用單例模式，所有生成的流水號(hào)共享同一個(gè)serialNumber變量，從而避免了重復(fù)生成流水號(hào)的問(wèn)題。
• 管理和控制：由于只有一個(gè)SerialNumberGenerator實(shí)例存在于系統(tǒng)中，因此我們不必在各個(gè)地方管理和控制實(shí)例的創(chuàng)建和使用，這降低了代碼復(fù)雜性并減少了出錯(cuò)的可能性。

使用單例模式來(lái)實(shí)現(xiàn)流水號(hào)生成器類，可以確保生成的流水號(hào)是唯一的，避免資源浪費(fèi)，并保證生成的流水號(hào)順序一致。所有部分都可以通過(guò)訪問(wèn)流水號(hào)生成器的全局訪問(wèn)點(diǎn)來(lái)獲取唯一的流水號(hào)，從而簡(jiǎn)化了流水號(hào)的生成和管理。

3、單例模式實(shí)現(xiàn)方式

在上面例子當(dāng)中使用到了懶漢式單例模式，下面我們?cè)賮?lái)看看單例模式的實(shí)現(xiàn)方式：

單例模式的實(shí)現(xiàn)方式有多種，以下是幾種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式：

• 懶漢式（Lazy Initialization）：在首次使用時(shí)創(chuàng)建實(shí)例。懶漢式單例模式可以延遲實(shí)例化，避免不必要的資源消耗。但需要考慮線程安全性，可以通過(guò)加鎖或使用雙重檢查鎖定等方式來(lái)確保線程安全。
• 餓漢式（Eager Initialization）：在類加載時(shí)即創(chuàng)建實(shí)例。餓漢式單例模式在類加載時(shí)就創(chuàng)建實(shí)例，因此不存在線程安全問(wèn)題。但可能會(huì)提前創(chuàng)建實(shí)例，造成資源浪費(fèi)。
• 靜態(tài)內(nèi)部類（Static Inner Class）：利用類的靜態(tài)內(nèi)部類來(lái)實(shí)現(xiàn)單例模式。這種方式可以實(shí)現(xiàn)延遲加載和線程安全，且對(duì)外部類的加載不產(chǎn)生影響。
• 枚舉（Enum）：利用枚舉類型實(shí)現(xiàn)單例模式。枚舉類型的實(shí)例是線程安全的，并且保證只有一個(gè)實(shí)例存在。
• 雙重檢查鎖定（Double-Checked Locking）：結(jié)合懶漢式和加鎖機(jī)制，通過(guò)雙重檢查來(lái)實(shí)現(xiàn)延遲加載和線程安全。
• 容器（Container）：使用容器來(lái)存儲(chǔ)實(shí)例，每次獲取實(shí)例時(shí)先從容器中查找，如果不存在則創(chuàng)建并添加到容器中。這種方式適用于需要管理多個(gè)單例對(duì)象的情況。

以上是常見(jiàn)的幾種單例模式的實(shí)現(xiàn)方式。每種實(shí)現(xiàn)方式都有其適用的場(chǎng)景和特點(diǎn)，選擇哪種方式取決于具體的需求和設(shè)計(jì)考慮。同時(shí)，需要注意線程安全性和性能等因素，確保實(shí)現(xiàn)的單例模式符合要求。

下面再說(shuō)說(shuō)最常用的懶漢式和餓漢式單例模式實(shí)現(xiàn)

3.1 懶漢式單例模式

在第一次使用時(shí)才創(chuàng)建實(shí)例，稱為懶漢式。實(shí)現(xiàn)方式是在類內(nèi)部定義一個(gè)私有的靜態(tài)變量作為實(shí)例，然后提供一個(gè)公有的靜態(tài)方法來(lái)獲取該實(shí)例。在方法內(nèi)部判斷實(shí)例是否已經(jīng)存在，如果存在則直接返回，如果不存在則創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例并返回。（我就是很懶，你不用我，我就不管你，當(dāng)你用我的時(shí)候才回去給你提供需要的東西）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    // 私有構(gòu)造函數(shù)
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

在懶漢式單例模式中，我們將單例對(duì)象的實(shí)例化放在靜態(tài)方法getInstance()中。當(dāng)首次調(diào)用getInstance()時(shí)，會(huì)檢查實(shí)例是否已經(jīng)存在。如果實(shí)例為null，表示還未創(chuàng)建，則進(jìn)行實(shí)例化。這種方式實(shí)現(xiàn)了延遲加載，只有在需要使用單例對(duì)象時(shí)才會(huì)創(chuàng)建它。

需要注意的是，在多線程環(huán)境下，懶漢式單例模式需要考慮線程安全性。上述代碼的實(shí)現(xiàn)并未考慮線程安全，可能會(huì)導(dǎo)致多個(gè)線程同時(shí)創(chuàng)建實(shí)例。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在getInstance()方法中添加線程同步機(jī)制，如使用synchronized關(guān)鍵字或者雙重檢查鎖定等方式，來(lái)確保在多線程環(huán)境下僅有一個(gè)實(shí)例被創(chuàng)建。

下面再來(lái)說(shuō)多線程單例模式

3.2 餓漢式單例模式

餓漢式單例模式： 在類加載時(shí)就創(chuàng)建實(shí)例，稱為餓漢式。實(shí)現(xiàn)方式是在類內(nèi)部定義一個(gè)私有的靜態(tài)變量，并直接創(chuàng)建實(shí)例賦值給它，然后提供一個(gè)公有的靜態(tài)方法來(lái)獲取該實(shí)例。（快要餓死了，很需要吃東西，所以說(shuō)菜一上來(lái)就立馬開(kāi)吃，不管你三七二十四）

public class Singleton {
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    // 私有構(gòu)造函數(shù)
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

在餓漢式單例模式中，我們將單例對(duì)象的實(shí)例化放在靜態(tài)常量中，并且將構(gòu)造函數(shù)設(shè)為私有，防止外部代碼創(chuàng)建實(shí)例。在類加載時(shí)，靜態(tài)常量instance就會(huì)被創(chuàng)建，并且通過(guò)公共的靜態(tài)方法getInstance()返回該實(shí)例。由于實(shí)例在類加載時(shí)就被創(chuàng)建，因此可以保證單例的唯一性。

3.3 多線程的單例模式

3.3.1 同步方法

同步方法（Synchronized Method）：在getInstance()方法上使用synchronized關(guān)鍵字，確保在同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以進(jìn)入方法，從而避免并發(fā)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例。這種方式簡(jiǎn)單易行，但可能存在性能問(wèn)題，因?yàn)槊看握{(diào)用getInstance()都需要進(jìn)行同步。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    // 私有構(gòu)造函數(shù)
    private Singleton() {
    }
    public synchronized static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

3.3.2 雙重檢查鎖定

雙重檢查鎖定（Double-Checked Locking）：使用雙重檢查鎖定機(jī)制，在getInstance()方法內(nèi)使用synchronized塊，只在實(shí)例為null時(shí)才進(jìn)行同步，避免了每次調(diào)用都進(jìn)行同步的開(kāi)銷。這種方式在多線程環(huán)境下能夠保證線程安全性，同時(shí)也具有較好的性能。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;
    // 私有構(gòu)造函數(shù)
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

需要注意的是，這種方式需要將instance變量聲明為volatile，以確保在多線程環(huán)境下的可見(jiàn)性和禁止指令重排序。

3.3.3 靜態(tài)內(nèi)部類

靜態(tài)內(nèi)部類（Static Inner Class）：利用類的靜態(tài)內(nèi)部類來(lái)實(shí)現(xiàn)單例模式。靜態(tài)內(nèi)部類在首次使用時(shí)加載，且只加載一次，因此保證了線程安全性和延遲加載。

public class Singleton {
    private Singleton() {
        // 私有構(gòu)造函數(shù)
    }
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

在多線程環(huán)境下，上述實(shí)現(xiàn)方式都能夠確保只有一個(gè)實(shí)例被創(chuàng)建，并提供線程安全的訪問(wèn)。選擇哪種方式取決于具體的需求和性能要求。此外，還可以結(jié)合其他技術(shù)，如使用枚舉類型實(shí)現(xiàn)單例，因?yàn)槊杜e類型的實(shí)例是線程安全且唯一的。

需要注意的是，在某些情況下，可能需要權(quán)衡線程安全和性能之間的取舍。在高并發(fā)環(huán)境下，可以考慮使用其他的并發(fā)控制方式，如使用鎖、使用線程安全的并發(fā)容器等來(lái)實(shí)現(xiàn)單例模式。

4、單例模式總結(jié)

單例模式的核心思想是將類的實(shí)例化過(guò)程控制在一個(gè)特定的范圍內(nèi)，以確保只有一個(gè)實(shí)例被創(chuàng)建并且全局可訪問(wèn)。這種模式在需要共享資源或避免重復(fù)創(chuàng)建相同對(duì)象的場(chǎng)景中非常有用。

以下是單例模式的一般實(shí)現(xiàn)步驟：

• 將類的構(gòu)造函數(shù)設(shè)為私有，防止外部代碼直接創(chuàng)建實(shí)例。
• 在類內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)私有的靜態(tài)變量來(lái)保存單例實(shí)例。
• 提供一個(gè)公共的靜態(tài)方法來(lái)獲取單例實(shí)例，該方法負(fù)責(zé)實(shí)例的創(chuàng)建和返回。
• 在獲取實(shí)例的方法中，需要考慮線程安全性，確保在多線程環(huán)境下只有一個(gè)實(shí)例被創(chuàng)建。

單例模式的優(yōu)點(diǎn)：

• 全局唯一性：確保只有一個(gè)實(shí)例存在，全局范圍內(nèi)可以訪問(wèn)該實(shí)例。
• 節(jié)省資源：避免重復(fù)創(chuàng)建相同的對(duì)象，節(jié)省了系統(tǒng)資源。
• 簡(jiǎn)化調(diào)用：通過(guò)單例模式可以將實(shí)例的管理和控制集中處理，簡(jiǎn)化了代碼的使用和調(diào)用方式。

單例模式缺點(diǎn)：

• 隱藏依賴關(guān)系：?jiǎn)卫Ｊ?strong>將對(duì)象的創(chuàng)建和使用耦合在一起，使得對(duì)象之間的依賴關(guān)系難以識(shí)別和管理。其他組件或類可能會(huì)依賴單例對(duì)象，從而增加了代碼的復(fù)雜性和耦合度。
• 可測(cè)試性降低：由于單例對(duì)象的全局性質(zhì)，可能導(dǎo)致測(cè)試?yán)щy。在單元測(cè)試中，如果依賴于單例對(duì)象的方法或類，可能會(huì)難以模擬和替換實(shí)例，從而影響測(cè)試的可靠性和可維護(hù)性。
• 線程安全問(wèn)題：在多線程環(huán)境下，需要特別注意單例模式的線程安全性。如果實(shí)現(xiàn)不當(dāng)，可能導(dǎo)致多個(gè)線程同時(shí)創(chuàng)建實(shí)例，從而破壞了單例的唯一性。需要額外的同步措施來(lái)確保線程安全，這可能會(huì)引入性能開(kāi)銷。
• 限制擴(kuò)展性：?jiǎn)卫Ｊ酵ǔＪ?strong>通過(guò)將實(shí)例化邏輯封裝在類內(nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這限制了對(duì)類的擴(kuò)展性。如果需要擴(kuò)展功能或修改實(shí)例化邏輯，可能需要修改單例類的代碼，從而影響其他代碼的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。
• 對(duì)象生命周期管理困難：由于單例對(duì)象的生命周期長(zhǎng)于其他對(duì)象，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏問(wèn)題。一旦單例對(duì)象被創(chuàng)建，它將一直存在于內(nèi)存中，直到應(yīng)用程序結(jié)束或顯式銷毀。在某些情況下，可能難以控制和管理單例對(duì)象的生命周期。

因此，應(yīng)謹(jǐn)慎使用單例模式，并根據(jù)具體需求和設(shè)計(jì)考慮選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)現(xiàn)方式，以確保單例的正確性和適用性。

單例模式使用場(chǎng)景：

• 全局資源共享：當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)模塊或?qū)ο笮枰蚕硗粋€(gè)資源時(shí)，可以使用單例模式來(lái)管理該資源，確保只有一個(gè)實(shí)例存在。例如，數(shù)據(jù)庫(kù)連接池、線程池、日志管理器等。
• 配置信息管理：當(dāng)需要全局訪問(wèn)和管理配置信息時(shí)，可以使用單例模式來(lái)存儲(chǔ)和獲取配置信息。這樣可以避免重復(fù)讀取配置文件，提高性能和效率。
• 日志記錄器：在需要記錄系統(tǒng)日志的場(chǎng)景下，使用單例模式可以確保日志記錄器的唯一性和全局訪問(wèn)性。通過(guò)單例模式，可以集中管理日志記錄器的配置和輸出。
• 緩存管理：在需要管理全局緩存的場(chǎng)景下，可以使用單例模式來(lái)實(shí)現(xiàn)緩存管理器。單例模式確保只有一個(gè)緩存管理器實(shí)例存在，避免重復(fù)創(chuàng)建和維護(hù)多個(gè)緩存實(shí)例。
• 線程池管理：在多線程環(huán)境中，使用單例模式來(lái)管理線程池可以確保線程池的唯一性和可控性。通過(guò)單例模式，可以統(tǒng)一管理線程池的創(chuàng)建、銷毀和任務(wù)調(diào)度。
• GUI應(yīng)用程序中的窗口管理：在圖形用戶界面（GUI）應(yīng)用程序中，使用單例模式來(lái)管理窗口對(duì)象可以確保每個(gè)窗口只有一個(gè)實(shí)例，方便對(duì)窗口進(jìn)行控制和管理。

以上就是詳解Java設(shè)計(jì)模式之單例模式的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java 單例模式的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！