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设计模式——单例模式

news 来源：原创 2025/5/8 17:17:20

单例模式

实现单例模式的方法
- 前置条件
- 懒汉式（Lazy Initialization）
- 饿汉式（Eager Initialization）
- 双重锁式（Double-Checked Locking）
- 静态内部类式（Static Inner Class）
- 枚举式（Enum）
总结

单例模式（Singleton Pattern）是软件工程中的一种设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。

实现单例模式的方法

前置条件

创建一个User类，模拟单例模式中创建对象使用。

public class User {private Integer id;private String name;private String password;public User() {}public User(Integer id, String name, String password) {this.id = id;this.name = name;this.password = password;}public Integer getId() {return id;}public void setId(Integer id) {this.id = id;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public String getPassword() {return password;}public void setPassword(String password) {this.password = password;}
}

懒汉式（Lazy Initialization）

单例模式中常见的模式之一，懒汉式可以做到使用单例对象时才创建对象，可以实现延迟加载，但是存在线程安全问题，需要通过synchronized关键字保证了线程安全，但会影响性能。

/*懒汉式 线程不安全 需要使用 synchronized*/
public class Lazy {private static User user;//没有synchronized关键字，线程不安全,多线程调用此方法时会创建不同地址值的User对象//对外提供接口public static synchronized User getUser() {if (user == null) {user = new User(1,"zhao","123456");}return user;}public static void main(String[] args) {//测试多线程下的懒汉式for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {User user = getUser();System.out.println(user);}).start();}}
}

若没有添加synchronized关键字执行结果为：

会出现创建出多个对象的情况，背离了单例模式的初初衷。

添加synchronized关键字后可以保障对象的唯一性
在这里插入图片描述

饿汉式（Eager Initialization）

单例模式中常见的模式之一，饿汉式是在类加载时就创建实例比较简单，可以保证线程安全，但不支持延迟加载。

/*
* 饿汉式 线程安全
* */
public class Hungry {//类加载时就创建实例private static final User user = new User(1,"zhao","123456");//对外提供接口public static User getUser(){return user;}public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {User user = getUser();user.setId(2);System.out.println(user);}).start();}}
}

运行结果：
在这里插入图片描述
实现了单例模式

双重锁式（Double-Checked Locking）

双锁结构，优化懒汉式，为了提高性能同时保持线程安全性，可以采用双重检查锁定的方式。

volatile关键字： 是一种轻量级的同步机制，适用于那些不需要复杂同步逻辑的简单场景。如果应用需要更复杂的并发控制，那么应该考虑使用更高级的同步工具
优点：
1、可见性：
当一个线程修改了 volatile 变量的值，这个修改会立即对其他线程可见。
每次读取 volatile 变量时，都会直接从主内存中读取最新的值，而不是使用缓存中的旧值。
每次写入 volatile 变量时，都会立即将更新后的值写回主内存，确保其他线程可以看到最新的状态。
2、禁止指令重排序：
Java 编译器和处理器为了优化性能，可能会对指令进行重排序。然而，对于 volatile 变量的操作，编译器和运行时环境都必须遵守一定的规则，不能将 volatile 写操作放到读操作之后，也不能将 volatile 读操作放到写操作之前。这有助于维持程序的逻辑正确性。
缺点：
1、不保证原子性：
尽管 volatile 提供了可见性和有序性，但它并不提供原子性。这意味着如果对 volatile 变量执行复合操作（如 i++），这些操作仍然可能受到竞态条件的影响，因为它们不是原子性的。要确保原子性，可以考虑使用同步机制、Atomic 类或锁等方法。

synchronized 关键字： 是 Java 中用于实现线程同步的关键字，它能够确保在多线程环境中对共享资源的安全访问。

/*
双锁结构，优化懒汉式，为了提高性能同时保持线程安全性，可以采用双重检查锁定的方式。*/
public class DoubleChecked {// 使用volatile避免指令重排序,保证user的可见性private static volatile User user;//对外提供接口public static User getUser() {if (user == null) {synchronized (User.class) {if (user == null) {user = new User(1, "zhao", "123456");}}}return user;}public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {User user = getUser();System.out.println(user);}).start();}}
}

运行结果：
在这里插入图片描述

静态内部类式（Static Inner Class）

利用了Java语言的特性，只有当内部类被加载时才会创建单例实例，因此它是线程安全且延迟加载的。
静态内部类： 只有在它被显式使用时才会被加载，比如创建静态内部类的实例或者访问其静态成员。

/*
* 内部类 利用了Java语言的特性，只有当内部类被加载时才会创建单例实例，因此它是线程安全且延迟加载的。
*/
public class StaticInnerClass {//创建内部类:只有当内部类被加载时才会创建单例实例private static class GetUserInnerClass{private static final User user = new User(1,"zhao","123456");}//对外提供接口public static User getUser(){return GetUserInnerClass.user;}public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {User user = getUser();System.out.println(user);}).start();}}
}

运行结果：
在这里插入图片描述

枚举式（Enum）

枚举类型的单例模式之所以线程安全，主要是因为Java语言规范对枚举类型的初始化提供了保证，并且在多个方面限制了创建新实例的可能性。以下是具体的原因：
1. 类加载机制
Java的类加载器在加载类时是线程安全的。当一个类第一次被加载到JVM中时，类加载器会确保这个过程是原子性的，即同一时间只有一个线程可以执行类的加载和初始化。对于枚举类型来说，它的静态字段（包括枚举常量）是在类加载期间初始化的，这意味着所有枚举实例的创建都是在这个安全的过程中完成的。

2. 构造函数私有化
枚举类型的构造函数默认是私有的，这防止了外部代码通过new关键字来创建新的枚举实例。即使使用反射技术尝试调用私有构造函数，在Java 5及以上版本中，JVM也特别处理了这种情况，以确保无法通过反射创建额外的枚举实例。

3. 静态初始化块
枚举实例是通过静态初始化块创建的，而静态初始化块只会在类加载时执行一次，并且由JVM保证其线程安全性。由于枚举实例是静态成员变量的一部分，它们的初始化也是线程安全的。

4. 序列化机制
Java的序列化机制为枚举类型提供了特殊的支持。当试图反序列化一个枚举实例时，JVM不会创建一个新的对象，而是返回已经存在的枚举常量。如果有人尝试通过反序列化来创建新的枚举实例，JVM会抛出InvalidObjectException异常，从而防止了这种攻击。

5. 克隆保护
枚举类型还重写了Cloneable接口中的clone()方法，使其抛出CloneNotSupportedException异常。这阻止了通过克隆方式创建新的枚举实例。

6. 反射保护
如前所述，尽管反射可以用来访问私有构造函数或字段，但Java的反射API对枚举类型进行了特殊的处理，使得无法利用反射来创建新的枚举实例。

//枚举实现单例模式
//枚举类型本质上就是线程安全的，并且默认情况下是不可变和序列化的，非常适合用来实现单例模式。
public enum Enum {GETUSER;//枚举实现单例模式private User user;//构造方法私有化,创建user对象Enum() {user = new User(1,"zhao","123456");}//获取user对象public User getUser() {return user;}public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {Enum e = Enum.GETUSER;User user = e.getUser();System.out.println(user);}).start();}}
}

运行结果

在这里插入图片描述

总结

1. 饿汉式（Eager Initialization）
特点：类加载时即创建实例。
优点：线程安全，实现简单。
缺点：不支持延迟加载，可能浪费资源。
2. 懒汉式（Lazy Initialization）
特点：第一次调用 getInstance() 方法时才创建实例。
优点：支持延迟加载。
缺点：基本实现不是线程安全的；需要额外措施确保线程安全（如同步整个方法或使用双重检查锁定）。
3. 双重检查锁定（Double-Checked Locking）
特点：懒加载且线程安全，只在第一次创建实例时加锁。
优点：线程安全，支持延迟加载，性能较好。
缺点：实现稍微复杂一些。
4. 静态内部类（Static Inner Class）
特点：利用了Java语言特性，只有当静态内部类被加载时才会创建单例实例。
优点：线程安全，支持延迟加载，代码简洁。
缺点：相对不太直观。
5. 枚举（Enum）
特点：最简洁、最安全的方式，天然防止反射和序列化攻击。
优点：线程安全，支持延迟加载，代码非常简洁，防止反序列化攻击。
缺点：扩展性有限，不能继承其他类（只能实现接口）。

选择哪种方式？
1、如果你确定你的应用不会有多线程问题或者你不关心性能，那么饿汉式可能是最简单的解决方案。
2、如果你需要延迟加载并且希望保持线程安全，那么建议使用双重检查锁定、静态内部类或枚举的方式来实现懒汉式单例模式。
3、枚举类型的单例模式是实现单例模式的一个非常好的选择，特别是在你需要一种简单、线程安全并且能抵抗反射和序列化攻击的情况下。

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