手撕设计模式之单例模式(详细解析)
前言
单例模式主要用来保证系统中某个类的实例对象的唯一性,是最简单的一种设计模式,而且在面试中也经常会被问到,是非常值得我们去学习的。如果你们面试遇到了哪些设计模式的考察,也欢迎留言,我会及时发新的博文。
文章目录
1. 模式定义
单例模式(Singleton Pattern):确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并像整个系统提供这个实例,这个类称为单例类,它会提供全局访问的方法。单例模式是对象创建型模式的一种。
单例模式的三个要点:
- 某个类只能有一个实例
- 必须自行创建这个实例
- 必须自行向整个系统提供这个实例
2. 模式实现
要想实现单例模式,我们可以从它的三个要点入手:
首先是单例的唯一性,既然单例是唯一的,我们毫无疑问应该给他加上
static关键字,又因为这个对象不应该直接暴露,所以还要加上
private进行访问限定。
private static Singleton instince = null;
接着,就是这个对象需要由单例类自行创建,这时我们就应该屏蔽外界访问该类初始化方法的接口,也就是用
private修饰构造函数。
private Singleton() { }
最后一点就比较容易实现了,给公有工厂方法
static关键字,即可实现向整个系统提供这个实例。
public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { instince = new Singleton(); } return instance; }
将以上代码整合一下,就可以得到如下的单例模式的代码实现模板:
public class Singleton { //静态私有成员变量,保证实例的唯一性 private static Singleton instince = null;//私有构造函数,保证实例由类自行创建 private Singleton() { }// 静态公有工厂方法,向系统提供这个唯一实例 public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { instince = new Singleton(); } return instance; }}
下面是针对上面单例模式实现模板的客户端测试代码:
public Client { public static void main(String []args) { Singleton s1 = Singleton.getInstance(); Singleton s2 = Singleton.getInstance(); System.out.println(s1 == s2); //true } }
3. 单例模式的拓展
单例模式可以分为懒汉式单例和饿汉式单例,它们的区别主要在单例类对象的初始化时间上。下面我们来详细讲解:
3.1 懒汉式单例
懒汉式单例模式的结构图如下图所示:
在模式图中,我们可以看到这实例对象在创建类的时候并没有初始化,而是等到有人调用getInstance()
方法获取实例的时候才进行实例对象的初始化,这也恰恰体现了懒汉式的这种“懒惰行为”。
下面是以“身份证号码类”作为例子,编写的懒汉式单例代码。
public class IdentityCardNo { private String no; //某个类只能有一个实例 private static IdentityCardNo instince = null; //必须自行创建这个实例 private IdentityCardNo() { } //必须自行向整个系统提供这个实例 public static IdentityCardNo getInstance() { if (instince == null) { System.out.println("第一次办理身份证,分配新号码"); instince = new IdentityCardNo(); instince.setIdentityCardNo("400000199710301111"); } else { System.out.println("重复办理身份证,获取旧号码"); } return instince; } public String getIdentityCardNo() { return no; } public void setIdentityCardNo(String no) { this.no = no; } }
可以仿造上面的方法,写一个Client类来进行检验。
3.2 饿汉式单例
饿汉式单例模式的结构图如下图所示:
由于饿汉式单例的“饥饿”特性,使得它在类加载阶段就对单例类对象进行了初始化,从上面的结构图也可以看出这一点。
下面代码是上面那个例子的饿汉式实现:
public class IdentityCardNo { private String no; //某个类只能有一个实例 private static IdentityCardNo instince = new IdentityCardNo(); //必须自行创建这个实例 private IdentityCardNo() { System.out.println("第一次办理身份证,分配新号码"); } //必须自行向整个系统提供这个实例 public static IdentityCardNo getInstance() { instince.setIdentityCardNo("400000199710301111"); return instince; } public String getIdentityCardNo() { return no; } public void setIdentityCardNo(String no) { this.no = no; } }
4. 多线程环境中的单例模式
上面提到的懒汉式单例是线程不安全的,在多线程的环境下,对象的唯一性得不到保障。于是就有了下面几种线程安全的单例模式实现方法,其中第1,2种方法是对懒汉式的改进,第 3 中是对饿汉式的改进。
4.1 延时加载
我们可以用
synchronized关键字修饰
getInstance()方法,利用延时加载的方式保证在多线程环境下对象的唯一性。但是这种方法在容易造成线程拥塞,效率不高。
实现代码如下:
public class Singleton { private static Singleton instince = null;private Singleton() { }public static synchronized Singleton getInstance() { if (instance == null) { instince = new Singleton(); } return instance; } }
4.2 双重校验锁
这种方式采用双锁机制,线程安全且在多线程情况下能保持高性能,是比较推荐使用的方法。
实现代码如下:
public class Singleton { private static Singleton instince = null;private Singleton() { }public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { //只将synchronized关键字用在了初始化模块 synchronized (Singleton.class) { if (install == null) { instince = new Singleton(); } } } return instance; } }
4.3 静态内部类
这种方式通过给对象加上
final关键字修饰,能达到双检锁方式一样的功效,但实现更简单。对静态域使用延迟初始化,应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况,双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
实现代码如下:
public class Singleton { private static final Singleton instince = new Singleton(); private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { return Singleton.instance; } }
参考资料
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