【原】重學(xué) Java 設(shè)計模式：實戰(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

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作者：小傅哥
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一、前言

5個創(chuàng)建型模式的最后一個

在設(shè)計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；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單例模式。

掌握了的知識才是自己的

在本次編寫的重學(xué) Java 設(shè)計模式的編寫中盡可能多的用各種場景案例還介紹設(shè)計的使用，包括我們已經(jīng)使用過的場景；各種類型獎品發(fā)放、多套Redis緩存集群升級、裝修公司報價清單和百份考卷題目與答案亂序，通過這些場景案例的實踐感受設(shè)計模式的思想。但這些場景都是作者通過經(jīng)驗分離出來的，還并不是讀者的知識，所以你如果希望可以融會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

在這里還是想強調(diào)一下學(xué)習(xí)方法，總有很多小伙伴對學(xué)習(xí)知識有疑惑，明明看了、看的時候也懂了，但到了實際使用的時候卻用不上。或者有時候在想是不要是有更加生動的漫畫或者什么對比會好些，當(dāng)然這些方式可能會加快一個新人對知識的理解速度。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，就很難掌握這項技術(shù)棧。只有你把它用起來，逐字逐句的深挖，一點點的探求，把各項遇到的盲點全部掃清，才能讓你真的掌握這項技能。

二、開發(fā)環(huán)境

JDK 1.8
Idea + Maven
涉及工程1個，可以通過關(guān)注公眾號：bugstack蟲洞棧，回復(fù)源碼下載獲取(打開獲取的鏈接，找到序號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設(shè)計中最簡單的模式之一，而且這種方式即使在沒有看設(shè)計模式相關(guān)資料也會常用在編碼開發(fā)中。

因為在編程開發(fā)中經(jīng)常會遇到這樣一種場景，那就是需要保證一個類只有一個實例哪怕多線程同時訪問，并需要提供一個全局訪問此實例的點。

綜上以及我們平常的開發(fā)中，可以總結(jié)一條經(jīng)驗，單例模式主要解決的是，一個全局使用的類頻繁的創(chuàng)建和消費，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)庫的連接池不會反復(fù)創(chuàng)建
spring中一個單例模式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種單例模式實現(xiàn)

單例模式的實現(xiàn)方式比較多，主要在實現(xiàn)上是否支持懶漢模式、是否線程安全中運用各項技巧。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，會直接使用static靜態(tài)類或?qū)傩院头椒ǖ姆绞竭M行處理，供外部調(diào)用。

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

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行的時候直接初始化Map類，同時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 ;
    }

}

單例模式有一個特點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滿足了懶加載，但是如果有多個訪問者同時去獲取對象實例你可以想象成一堆人在搶廁所，就會造成多個同樣的實例并存，從而沒有達到單例的要求。

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。如果不是特殊情況下，不建議此種方式實現(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實例化Map基本一致，在程序啟動的時候直接運行加載，后續(xù)有外部需要使用的時候獲取即可。
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在程序啟動之初進行創(chuàng)建。
那么這種方式導(dǎo)致的問題就像你下載個游戲軟件，可能你游戲地圖還沒有打開呢，但是程序已經(jīng)將這些地圖全部實例化。到你手機上最明顯體驗就一開游戲內(nèi)存滿了，手機卡了，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)部類實現(xiàn)的單例模式，既保證了線程安全有保證了懶加載，同時不會因為加鎖的方式耗費性能。
這主要是因為JVM虛擬機可以保證多線程并發(fā)訪問的正確性，也就是一個類的構(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(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鎖的優(yōu)化，減少了部分獲取實例的耗時。
同時這種方式也滿足了懶加載。
volatile關(guān)鍵字會強制的保證線程的可見性，而不加這個關(guān)鍵字，JVM也會盡力去保證可見性，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V實例，支持并發(fā)訪問如上的單例方式就是使用了這樣的一個特點。
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現(xiàn)，來保證線程安全。相對于其他鎖的實現(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也有一個缺點就是忙等，如果一直沒有獲取到將會處于死循環(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平臺設(shè)計并實作了許多的功能，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制，絕對防止對此實例化，即使是在面對復(fù)雜的串行化或者反射攻擊的時候。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)

雖然只是一個很平常的單例模式，但在各種的實現(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踐，否則很難完完整整的掌握一整套的知識體系。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