【原】重學(xué) Java 設(shè)計(jì)模式：實(shí)戰(zhàn)單例模式「7種單例模式案例，Effective Java 作者推薦枚舉單例模式」

小傅哥 2021-12-13

展開全文

作者：小傅哥
博客：https://

沉淀、分享、成長，讓自己和他人都能有所收獲！😄

一、前言

5個(gè)創(chuàng)建型模式的最后一個(gè)

在設(shè)計(jì)模式中按照不同的處理方式共包含三大類；創(chuàng)建型模式、結(jié)構(gòu)型模式和行為模式，其中創(chuàng)建型模式目前已經(jīng)介紹了其中的四個(gè)；工廠方法模式、抽象工廠模式、生成器模式和原型模式，除此之外還有最后一個(gè)單例模式。

掌握了的知識(shí)才是自己的

在本次編寫的重學(xué) Java 設(shè)計(jì)模式的編寫中盡可能多的用各種場景案例還介紹設(shè)計(jì)的使用，包括我們已經(jīng)使用過的場景；各種類型獎(jiǎng)品發(fā)放、多套R(shí)edis緩存集群升級(jí)、裝修公司報(bào)價(jià)清單和百份考卷題目與答案亂序，通過這些場景案例的實(shí)踐感受設(shè)計(jì)模式的思想。但這些場景都是作者通過經(jīng)驗(yàn)分離出來的，還并不是讀者的知識(shí)，所以你如果希望可以融會(huì)貫通的掌握那么一定要親力親為的操作，事必躬親的完成。

書不是看的是用的

在這里還是想強(qiáng)調(diào)一下學(xué)習(xí)方法，總有很多小伙伴對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)有疑惑，明明看了、看的時(shí)候也懂了，但到了實(shí)際使用的時(shí)候卻用不上。或者有時(shí)候在想是不要是有更加生動(dòng)的漫畫或者什么對(duì)比會(huì)好些，當(dāng)然這些方式可能會(huì)加快一個(gè)新人對(duì)知識(shí)的理解速度。但只要你把學(xué)習(xí)視頻當(dāng)電影看、學(xué)習(xí)書籍當(dāng)故事看，就很難掌握這項(xiàng)技術(shù)棧。只有你把它用起來，逐字逐句的深挖，一點(diǎn)點(diǎn)的探求，把各項(xiàng)遇到的盲點(diǎn)全部掃清，才能讓你真的掌握這項(xiàng)技能。

二、開發(fā)環(huán)境

JDK 1.8
Idea + Maven
涉及工程1個(gè)，可以通過關(guān)注公眾號(hào)：bugstack蟲洞棧，回復(fù)源碼下載獲取(打開獲取的鏈接，找到序號(hào)18)

三、單例模式介紹

單例模式，圖片來自 refactoringguru.cn

單例模式可以說是整個(gè)設(shè)計(jì)中最簡單的模式之一，而且這種方式即使在沒有看設(shè)計(jì)模式相關(guān)資料也會(huì)常用在編碼開發(fā)中。

因?yàn)樵诰幊涕_發(fā)中經(jīng)常會(huì)遇到這樣一種場景，那就是需要保證一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例哪怕多線程同時(shí)訪問，并需要提供一個(gè)全局訪問此實(shí)例的點(diǎn)。

綜上以及我們平常的開發(fā)中，可以總結(jié)一條經(jīng)驗(yàn)，單例模式主要解決的是，一個(gè)全局使用的類頻繁的創(chuàng)建和消費(fèi)，從而提升提升整體的代碼的性能。

四、案例場景

本章節(jié)的技術(shù)所出現(xiàn)的場景非常簡單也是我們?nèi)粘ｉ_發(fā)所能見到的，例如；

數(shù)據(jù)庫的連接池不會(huì)反復(fù)創(chuàng)建
spring中一個(gè)單例模式bean的生成和使用
在我們平常的代碼中需要設(shè)置全局的的一些屬性保存

在我們的日常開發(fā)中大致上會(huì)出現(xiàn)如上這些場景中使用到單例模式，雖然單例模式并不復(fù)雜但是使用面卻比較廣。

五、7種單例模式實(shí)現(xiàn)

單例模式的實(shí)現(xiàn)方式比較多，主要在實(shí)現(xiàn)上是否支持懶漢模式、是否線程安全中運(yùn)用各項(xiàng)技巧。當(dāng)然也有一些場景不需要考慮懶加載也就是懶漢模式的情況，會(huì)直接使用static靜態(tài)類或?qū)傩院头椒ǖ姆绞竭M(jìn)行處理，供外部調(diào)用。

那么接下來我們就通過實(shí)現(xiàn)不同方式的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行講解單例模式。

0. 靜態(tài)類使用

public class Singleton_00 {

    public static Map<String,String> cache = new ConcurrentHashMap<String, String>();
    
}

以上這種方式在我們平常的業(yè)務(wù)開發(fā)中非常場常見，這樣靜態(tài)類的方式可以在第一次運(yùn)行的時(shí)候直接初始化Map類，同時(shí)這里我們也不需要到延遲加載在使用。
在不需要維持任何狀態(tài)下，僅僅用于全局訪問，這個(gè)使用使用靜態(tài)類的方式更加方便。
但如果需要被繼承以及需要維持一些特定狀態(tài)的情況下，就適合使用單例模式。

1. 懶漢模式(線程不安全)

public class Singleton_01 {

    private static Singleton_01 instance;

    private Singleton_01() {
    }

    public static Singleton_01 getInstance(){
        if (null != instance) return instance;
        instance = new Singleton_01();
        return instance ;
    }

}

單例模式有一個(gè)特點(diǎn)就是不允許外部直接創(chuàng)建，也就是new Singleton_01()，因此這里在默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)上添加了私有屬性 private。
目前此種方式的單例確實(shí)滿足了懶加載，但是如果有多個(gè)訪問者同時(shí)去獲取對(duì)象實(shí)例你可以想象成一堆人在搶廁所，就會(huì)造成多個(gè)同樣的實(shí)例并存，從而沒有達(dá)到單例的要求。

2. 懶漢模式(線程安全)

public class Singleton_02 {

    private static Singleton_02 instance;

    private Singleton_02() {
    }

    public static synchronized Singleton_02 getInstance(){
        if (null != instance) return instance;
        instance = new Singleton_02();
        return instance;
    }

}

此種模式雖然是安全的，但由于把鎖加到方法上后，所有的訪問都因需要鎖占用導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。如果不是特殊情況下，不建議此種方式實(shí)現(xiàn)單例模式。

3. 餓漢模式(線程安全)

public class Singleton_03 {

    private static Singleton_03 instance = new Singleton_03();

    private Singleton_03() {
    }

    public static Singleton_03 getInstance() {
        return instance;
    }

}

此種方式與我們開頭的第一個(gè)實(shí)例化Map基本一致，在程序啟動(dòng)的時(shí)候直接運(yùn)行加載，后續(xù)有外部需要使用的時(shí)候獲取即可。
但此種方式并不是懶加載，也就是說無論你程序中是否用到這樣的類都會(huì)在程序啟動(dòng)之初進(jìn)行創(chuàng)建。
那么這種方式導(dǎo)致的問題就像你下載個(gè)游戲軟件，可能你游戲地圖還沒有打開呢，但是程序已經(jīng)將這些地圖全部實(shí)例化。到你手機(jī)上最明顯體驗(yàn)就一開游戲內(nèi)存滿了，手機(jī)卡了，需要換了。

4. 使用類的內(nèi)部類(線程安全)

public class Singleton_04 {

    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton_04 instance = new Singleton_04();
    }

    private Singleton_04() {
    }

    public static Singleton_04 getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }

}

使用類的靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)的單例模式，既保證了線程安全有保證了懶加載，同時(shí)不會(huì)因?yàn)榧渔i的方式耗費(fèi)性能。
這主要是因?yàn)镴VM虛擬機(jī)可以保證多線程并發(fā)訪問的正確性，也就是一個(gè)類的構(gòu)造方法在多線程環(huán)境下可以被正確的加載。
此種方式也是非常推薦使用的一種單例模式

5. 雙重鎖校驗(yàn)(線程安全)

public class Singleton_05 {

    private volatile static Singleton_05 instance;

    private Singleton_05() {
    }

    public static Singleton_05 getInstance(){
       if(null != instance) return instance;
       synchronized (Singleton_05.class){
           if (null == instance){
               instance = new Singleton_05();
           }
       }
       return instance;
    }

}

雙重鎖的方式是方法級(jí)鎖的優(yōu)化，減少了部分獲取實(shí)例的耗時(shí)。
同時(shí)這種方式也滿足了懶加載。
volatile關(guān)鍵字會(huì)強(qiáng)制的保證線程的可見性，而不加這個(gè)關(guān)鍵字，JVM也會(huì)盡力去保證可見性，但如果CPU一直處于繁忙狀態(tài)就不確定了。

6. CAS「AtomicReference」(線程安全)

public class Singleton_06 {

    private static final AtomicReference<Singleton_06> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton_06>();

    private static Singleton_06 instance;

    private Singleton_06() {
    }

    public static final Singleton_06 getInstance() {
        for (; ; ) {
            Singleton_06 instance = INSTANCE.get();
            if (null != instance) return instance;
            INSTANCE.compareAndSet(null, new Singleton_06());
            return INSTANCE.get();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Singleton_06.getInstance()); // org.itstack.demo.design.Singleton_06@2b193f2d
        System.out.println(Singleton_06.getInstance()); // org.itstack.demo.design.Singleton_06@2b193f2d
    }

}

java并發(fā)庫提供了很多原子類來支持并發(fā)訪問的數(shù)據(jù)安全性；AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicReference。
AtomicReference 可以封裝引用一個(gè)V實(shí)例，支持并發(fā)訪問如上的單例方式就是使用了這樣的一個(gè)特點(diǎn)。
使用CAS的好處就是不需要使用傳統(tǒng)的加鎖方式保證線程安全，而是依賴于CAS的忙等算法，依賴于底層硬件的實(shí)現(xiàn)，來保證線程安全。相對(duì)于其他鎖的實(shí)現(xiàn)沒有線程的切換和阻塞也就沒有了額外的開銷，并且可以支持較大的并發(fā)性。
當(dāng)然CAS也有一個(gè)缺點(diǎn)就是忙等，如果一直沒有獲取到將會(huì)處于死循環(huán)中。

7. Effective Java作者推薦的枚舉單例(線程安全)

public enum Singleton_07 {

    INSTANCE;
    public void test(){
        System.out.println("hi~");
    }

}

約書亞·布洛克（英語：Joshua J. Bloch，1961年8月28日－），美國著名程序員。他為Java平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)作了許多的功能，曾擔(dān)任Google的首席Java架構(gòu)師（Chief Java Architect）。

Effective Java 作者推薦使用枚舉的方式解決單例模式，此種方式可能是平時(shí)最少用到的。
這種方式解決了最主要的；線程安全、自由串行化、單一實(shí)例。

調(diào)用方式

@Test
public void test() {
    Singleton_07.INSTANCE.test();

這種寫法在功能上與共有域方法相近，但是它更簡潔，無償?shù)靥峁┝舜谢瘷C(jī)制，絕對(duì)防止對(duì)此實(shí)例化，即使是在面對(duì)復(fù)雜的串行化或者反射攻擊的時(shí)候。雖然這中方法還沒有廣泛采用，但是單元素的枚舉類型已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)Singleton的最佳方法。

但也要知道此種方式在存在繼承場景下是不可用的。

六、總結(jié)

雖然只是一個(gè)很平常的單例模式，但在各種的實(shí)現(xiàn)上真的可以看到j(luò)ava的基本功的體現(xiàn)，這里包括了；懶漢、餓漢、線程是否安全、靜態(tài)類、內(nèi)部類、加鎖、串行化等等。
在平時(shí)的開發(fā)中如果可以確保此類是全局可用不需要做懶加載，那么直接創(chuàng)建并給外部調(diào)用即可。但如果是很多的類，有些需要在用戶觸發(fā)一定的條件后(游戲關(guān)卡)才顯示，那么一定要用懶加載。線程的安全上可以按需選擇。
建議在學(xué)習(xí)的過程中一定要加以實(shí)踐，否則很難完完整整的掌握一整套的知識(shí)體系。例如案例中的出現(xiàn)的Effective Java一書也非常建議大家閱讀。另外推薦下這位大神的Github：https://github.com/jbloch

七、推薦閱讀

重學(xué) Java 設(shè)計(jì)模式：實(shí)戰(zhàn)原型模式-模擬考試試卷亂序題目和答案
Java開發(fā)架構(gòu)篇：初識(shí)領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)DDD落地
Java開發(fā)架構(gòu)篇：DDD模型領(lǐng)域?qū)記Q策規(guī)則樹服務(wù)設(shè)計(jì)
Java開發(fā)架構(gòu)篇：領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)架構(gòu)基于SpringCloud搭建微服務(wù)
源碼分析(面試常問題目) | Mybatis接口沒有實(shí)現(xiàn)類為什么可以執(zhí)行增刪改查
講道理，只要你是一個(gè)愛折騰的程序員，畢業(yè)找工作真的不需要再花錢培訓(xùn)！