Java十分鐘快速掌握單例模式

2022-03-16 19:00:58

前言

首先在Java中有23種設計模式：

建立型模式：工廠方法模式、抽象工廠模式、單例模式、建造者模式、原型模式

結構型模式：介面卡模式、裝飾者模式、代理模式、外觀模式、橋接模式、組合模式、享元模式

行為型模式：策略模式、模板方法模式、觀察者模式、迭代子模式、責任鏈模式、命令模式、備忘錄模式、狀態模式、存取者模式、中介者模式、直譯器模式。

1、什麼是單例模式：

定義：

指一個類只有一個範例，且該類能自行建立這個範例的一種模式。可以避免因開啟多個工作管理員視窗而造成記憶體資源的浪費，或出現各個視窗顯示內容的不一致等錯誤。比如咱們電腦是不是隻能開啟一個工作管理員？對吧，這就是為了防止資源浪費和其他錯誤。

專案中一般可以通過單例模式來獲取同一個物件來呼叫工具方法，這樣的好處是節約記憶體資源，我沒有必要建立多個不同的物件，因為這樣消耗記憶體資源

簡而言之：單例就是程式只有一個範例，該類負責建立自己的物件，同時要確保只有一個物件建立

單例模式的特點：

構造器私有
持有自己型別的屬性
對外提供獲取範例的靜態方法

單例模式的結構圖：

2、單例模式的優缺點：

優點：

減少了記憶體的開銷
避免對資源的多重佔用
設定全域性存取點，可以優化和共用資源的存取

缺點（參考自網際網路）：

一般沒有介面，擴充套件困難。如果要擴充套件，則除了修改原來的程式碼，沒有第二種途徑，違背開閉原則
在並行測試中，單例模式不利於程式碼偵錯。在偵錯過程中，如果單例中的程式碼沒有執行完，也不能模擬生成一個新的物件
單例模式的功能程式碼通常寫在一個類中，如果功能設計不合理，則很容易違背單一職責原則

看一張單例模式的思維導圖：

3、懶漢模式（比較常用）

懶漢模式特徵是延遲初始化,在呼叫方法獲取範例的時候才會範例化物件執行緒不安全，嚴格意義上來說不是單例模式，優勢是在獲取範例才會建立物件因此更節省記憶體開銷

Demo：

public class SingLeton {

    //1、有自己型別的屬性
    private static SingLeton instance;

    //2、構造器私有化
    private SingLeton(){}

    //3、對外提供獲取範例的靜態方法
    public static SingLeton getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new SingLeton();
        }
        return instance;
    }

}

測試類：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        //判斷是否產生的是同一個物件
        SingLeton s1 = SingLeton.getInstance();
        SingLeton s2 = SingLeton.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

輸出：

true

注意

關於懶漢模式執行緒非安全

現在知道懶漢模式的執行緒是非安全的，那麼就需要使用鎖（synchronized ）來同步：

/**
 *   保證 instance 在所有執行緒中同步
 */
public class SingLeton2 {

        //1、有自己型別的屬性
        private static volatile SingLeton2 instance ;    
        
        //2、構造器私有化
        private SingLeton2() {
        }

        public static synchronized SingLeton2 getInstance() {
            //getInstance 方法前加同步
            if (instance == null) {
                instance = new SingLeton2();
            }
            return instance;
        }
    }

如果是寫多執行緒，則不要刪除上例程式碼中的關鍵字 volatile 和 synchronized，否則將存線上程非安全的問題。如果不刪除這兩個關鍵字就能保證執行緒安全，但是每次存取時都要同步，會影響效能，且消耗更多的資源，這是懶漢式單例的缺點。

4、餓漢模式【推薦使用】

餓漢模式執行緒安全，常用，但是容易產生垃圾物件，因為餓漢模式一開始載入類的時候就初始化了範例

Demo:

/**
 *
 * 餓漢模式
 */
public class SingLeton {

    //持有自己型別的屬性   (和懶漢一樣)
    //由於static修飾，只在類載入的時候執行一次，類載入的時候就範例化物件
    private static SingLeton instance = new SingLeton();

    //構造器私有化，不能通過它建立物件
    private SingLeton(){};

    //對外提供獲取範例的靜態方法
    public static SingLeton getInstance(){
        return instance;
    }
}

測試類：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        //判斷是否產生的是同一個物件
        SingLeton s1 = SingLeton.getInstance();
        SingLeton s2 = SingLeton.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

輸出：

true

懶漢模式和餓漢模式對比：

懶漢模式延遲載入，非執行緒安全，餓漢模式執行緒安全
懶漢模式剛執行不範例化物件，需要的時候才範例化物件，相當於來講更節省記憶體開銷
餓漢模式只要執行都會載入類的時候就給你初始化了，就需要使用更大的記憶體

圖解：

5、單例模式的應用場景

需要經常建立的一些類，使用單例可以降低系統的記憶體壓力
這個類只要求生成一個物件的時候，比如每個人的名字
類建立範例時佔用資源較多，或範例化耗時較長，且經常使用
頻繁存取資料庫或檔案的物件
類需要頻繁範例化，而建立的物件又頻繁被銷燬的時候，如多執行緒的執行緒池

6、單例模式的應用範例

這裡使用懶漢式單例模式模擬產生班級的班長分析：在每一個學期內，班級的班長只有一人，所以適合用單例模式實現

Person類：

/**
 * 使用懶漢模式
 */

public class Person {

    //保證instance在所有執行緒中同步
    private static volatile Person instance;

    private Person(){
        System.out.println("產生一個班長");
    }

    //加上synchronized鎖
    public static synchronized Person getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Person();
        }else {
            System.out.println("錯誤資訊：已經有一個班長，不能再產生");
        }
        return instance;
    }

    public void getName(){
        System.out.println("我是班長：小強");
    }
}

測試類：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        Person p1 = Person.getInstance();
        p1.getName(); //輸出班長名字

        Person p2 = Person.getInstance();
        p2.getName();

        if(p1 == p2){
            System.out.println("兩個班長是同一個人");
        }else {
            System.out.println("兩個班長是同一個人");

        }
    }
}

執行結果：