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分析java中全面的單例模式多種實現方式

2021-06-11 16:01:29

一、單例模式的思想

想整理一些 java 並行相關的知識,不知道從哪開始,想起了單例模式中要考慮的執行緒安全,就從單例模式開始吧。以前寫過單例模式,這裡再重新彙總補充整理一下,單例模式的多種實現。

單例模式的主要思想是:

  • 將構造方法私有化( 宣告為 private ),這樣外界不能隨意 new 出新的範例物件;
  • 宣告一個私有的靜態的範例物件,供外界使用;
  • 提供一個公開的方法,讓外界獲得該類的範例物件

這種說法看上去沒錯,但也好像不太準確。其實,就算外界能隨意 new 出新的範例物件,但只要我們保證我們每次使用的物件是唯一的,就可以。

二、單例模式的 N 種實現方式

2.1、餓漢式(執行緒安全,可用)

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    private static Singleton sSingleton = new Singleton();

    public static Singleton getInstance() {
        return sSingleton;
    }
}
  • 缺點: 類一載入的時候,就範例化,提前佔用了系統資源。

2.2、常數式(執行緒安全,可用)

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    public static final Singleton sSingleton = new Singleton();
}

將範例物件用 public static final 修飾,不提供公開方法獲取範例,直接通過 Singleton.sSingleton 獲取。

  • 缺點:與餓漢式一樣,類一載入的時候,就範例化,提前佔用了系統資源。

2.3、懶漢式(執行緒不安全,並行場景不可用)

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    private static Singleton sSingleton;

    public static Singleton getInstance() {
        if (sSingleton == null) {
            sSingleton = new Singleton();
        }
        return sSingleton;
    }
}
  • 缺點:第一次第一次載入時反應稍慢,執行緒不安全。

2.4、同步的懶漢式?(執行緒安全,可用,不建議使用)

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    private static Singleton sSingleton;

    public synchronized static Singleton getInstance() {
        if (sSingleton == null) {
            sSingleton = new Singleton();
        }
        return sSingleton;
    }
}
  • 缺點:第一次載入時反應稍慢,每次呼叫 getInstance 都進行同步,造成不必要的同步開銷,這種模式一般不建議使用。

2.5、雙重檢查鎖 DCL (執行緒安全,大多數場景滿足需求,推薦使用)

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    /**
     * volatile is since JDK5
     */
    private static volatile Singleton sSingleton;

    public static Singleton getInstance() {
        if (sSingleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 未初始化,則初始instance變數
                if (sSingleton == null) {
                    sSingleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return sSingleton;
    }
}

sSingleton = new Singleton() 不是一個原子操作。(XXX)故須加 volatile 關鍵字修飾,該關鍵字在 jdk1.5 之後版本才有。

  • 優點:資源利用率高,第一次執行getInstance時單例物件才會被範例化,效率高。
  • 缺點:第一次載入時反應稍慢,也由於Java記憶體模型的原因偶爾會失敗。在高並行環境下也有一定的缺陷,雖然發生的概率很小。DCL模式是使用最多的單例實現方式,它能夠在需要時才範例化單例物件,並且能夠在絕大多數場景下保證單例物件的唯一性,除非你的程式碼在並行場景比較複雜或者低於jdk1.6版本下使用,否則這種方式一般能夠滿足需求。

2.6、靜態內部類(執行緒安全,推薦使用)

public class Singleton {

    private Singleton () {
    }

    private static class InnerClassSingleton {
     private final static Singleton sSingleton = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return InnerClassSingleton.sSingleton;
    }
}

優點:推薦使用。

2.7、列舉單例(執行緒安全,不建議使用)

public enum Singleton{
    INSTANCE;
    
    // 其它方法
    public void doSomething(){
        ...
    }
}
  • 優點:列舉實現單例很簡單,也很安全。
  • 缺點:經驗豐富的 Android 開發人員都會盡量避免使用列舉。官方檔案有說明:相比於靜態常數Enum會花費兩倍以上的記憶體。

2.8、另類實現——利用容器實現單例

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class Singleton {
    private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<String, Object>();

    private Singleton() {
    }

    public static void registerService(String key, Object instance) {
        if (!objMap.containsKey(key)) {
            objMap.put(key, instance);
        }
    }

    public static Object getService(String key) {
        return objMap.get(key);
    }
}

利用了 HashMap 容器 key 不可重複的特性。

  • 優點:這種實現方式使得我們可以管理多種型別的單例,並且在使用時可以通過統一介面進行獲取操作,降低使用者使用成本,也對使用者隱藏了具體實現,降低耦合度。
  • 缺點:沒有私有化構造方法,使用者可以 new 出新的範例物件。

2.9、防止反射破壞單例

前面的多種實現方法中,很多我們按照構造方法私有化的思想來實現的,我們知道,利用反射,仍然可以建立出新物件,這樣在反射場景中,這種思想實現的單例模式就失效了,那麼如何防止反射破壞單例模式呢?原理上就是在存在一個範例的情況下,再次呼叫構造方法時,丟擲異常。下面以靜態內部類的單例模式為例:

public class Singleton {
    private static boolean flag = false;  
  
    private Singleton(){  
        synchronized(Singleton.class)  
        {  
            if(flag == false)  
            {  
                flag = !flag;  
            }  
            else  
            {  
                throw new RuntimeException("單例模式被侵犯!");  
            }  
        }  
    }  

    private static class InnerClassSingleton {
     private final static Singleton sSingleton = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return InnerClassSingleton.sSingleton;
    }
}

2.10、防止序列化和反序列化破壞單例

通過序列化可以講一個物件範例寫入到磁碟中,通過反序列化再讀取回來的時候,即便構造方法是私有的,也依然可以通過特殊的途徑,建立出一個新的範例,相當於呼叫了該類別建構函式。要避免這個問題,我們需要在程式碼中加入如下方法,讓其在反序列化過程中執行 readResolve 方法時返回 sSingleton 物件。

private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
    return sSingleton;
}

三、結語

有沒有一種方式實現的單例模式在任何情況下都是一個單例呢?

有。就是上面說的列舉單例。列舉,就能保證在任何情況下都是單例的,並且是執行緒安全的。

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