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在我们日常的工作中经常需要在应用程序中保持一个唯一的实例,如:IO处理,数据库操作等,由于这些对象都要占用重要的系统资源,所以我们必须限制这些实例的创建或始终使用一个公用的实例,这就是我们今天要介绍的——单例模式(Singleton)。

定义

单例模式,又称单件模式或者单子模式,指的是一个类只有一个实例,并且提供一个全局访问点。

实现思路

在单例的类中设置一个 private 静态变量instance,instance 类型为当前类,用来持有单例唯一的实例。 将(无参数)构造器设置为 private,避免外部使用 new 构造多个实例。 提供一个 public 的静态方法,如 getInstance,用来返回该类的唯一实例 instance。

类图

几种实现方式

由于使用场景不同,出现不同写法和模式,它们分别:

  • 懒汉式
  • 恶汉式
  • 双重校验锁
  • 枚举
  • 静态内部类

由于枚举使用场景场景较少, 下面就不介绍,感兴趣的可以自行解决。

饿汉式

饿汉式指的是单例的实例在类装载时进行创建。由于是在类装时候创建, 所以能够保证线程安全。如果单例类的构造方法中没有包含过多的操作处理,饿汉式其实是可以接受的。

public class SingleInstance {
  private final static SingleInstance instance = new SingleInstance();

  public static SingleInstance getInstance() {
      return instance;
  }
}

不足:

  • 如果构造方法中存在过多的处理,会导致加载这个类时比较慢,可能引起性能问题。
  • 如果使用饿汉式的话,只进行了类的装载,并没有实质的调用,会造成资源的浪费。

懒汉式

懒汉式指的是单例实例在第一次使用时进行创建。这种情况下避免了上面饿汉式可能遇到的问题。

public class SingleInstance {
  private static SingleInstance instance;
  private SingleInstance() {
  }

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

但是如果上面的代码在多线程并发的情况下就会发生问题, 因为它们存在共同的「临界资源」 instance, 比如线程A进入 null == instance 这段代码块,而在A线程未创建完成实例时,这时线程B也进入了该代码块,必然会造成两个实例的产生。

所以如果多线程这里要考虑加锁同步。代码实现如下:

public class SingleInstance {
  private static SingleInstance instance;
  private SingleInstance() {
  }

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

如果使用 synchronized 修饰 getInstance 方法后必然会导致性能下降,而且 getInstance 是一个被频繁调用的方法。虽然这种方法能解决问题,但是不推荐使用在多线程的情况下。所以伟大人类又想到了 「双重检查加锁」。

双重校验锁

伟大人类想到首先进入该方法时进行 null == sInstance 检查,如果第一次检查通过,即没有实例创建,则进入 synchronized 控制的同步块,并再次检查实例是否创建,如果仍未创建,则创建该实例。

public class SingleInstance {
  private static SingleInstance instance;
  private SingleInstance() {
  }

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

双重检查加锁保证了多线程下只创建一个实例,并且加锁代码块只在实例创建的之前进行同步。如果实例已经创建后,进入该方法,则不会执行到同步块的代码。

静态内部类

public class SingleInstance {
  private SingleInstance() {
  }

  public static SingleInstance getInstance() {
      return SingleInstanceHolder.sInstance;
  }

  private static class SingleInstanceHolder {
      private static SingleInstance sInstance = new SingleInstance();
  }
}

上面的代码 Singleton 类被装载了,instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用,只有显示通过调用 getInstance 方法时,才会显示装载 SingletonHolder 类,从而实例化 instance。想象一下,如果实例化 instance 很消耗资源,我想让它延迟加载, 上面就能这种方式就能达到。

优点:

  • 单例模式(Singleton)会控制其实例对象的数量,从而确保访问对象的唯一性。
  • 实例控制:单例模式防止其它对象对自己的实例化,确保所有的对象都访问一个实例。
  • 伸缩性:因为由类自己来控制实例化进程,类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。

缺点:

  • 系统开销。虽然这个系统开销看起来很小,但是每次引用这个类实例的时候都要进行实例是否存在的检查。这个问题可以通过静态实例来解决。
  • 使用多个类加载器加载单例类,也会导致创建多个实例并存的问题。
  • 使用反射,虽然构造器为非公开,但是在反射面前就不起作用了。
  • 对象生命周期。因为单例模式没有提出对象的销毁, 所以使用时容易造成内存泄漏, 例如在 Android 中在 Activity 中使用单例, 所以我们要额外小心。

使用场景

  • 系统只需要一个实例对象,如系统要求提供一个唯一的序列号生成器,或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
  • 不要使用单例模式存取全局变量。这违背了单例模式的用意,最好放到对应类的静态成员中。
  • 在一个系统中要求一个类只有一个实例时才应当使用单例模式。反过来,如果一个类可以有几个实例共存,就需要对单例模式进行改进,使之成为多例模式

Android 系统中的应用

在 Android 系统中, 大量使用单例模式, 我们来看一下。

饿汉式:

public class CallManager {
    ...
    // Singleton instance
    private static final CallManager INSTANCE = new CallManager();

    public static CallManager getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
    ....
}

懒汉式非线程安全实现方式:

class SnackbarManager {
    .....
    private static SnackbarManager sSnackbarManager;

    static SnackbarManager getInstance() {
        if (sSnackbarManager == null) {
            sSnackbarManager = new SnackbarManager();
        }
        return sSnackbarManager;
    }
}

懒汉式线程安全实现方式:

public class SystemConfig {
    ...
    static SystemConfig sInstance;
    ...
    public static SystemConfig getInstance() {
        synchronized (SystemConfig.class) {
            if (sInstance == null) {
                sInstance = new SystemConfig();
            }
            return sInstance;
        }
    }
}

总结

饿汉 VS 懒汉: +饿汉:声明实例引用时就会被实例化

  • 懒汉:静态方法第一次调用前不被实例化,即懒加载。对于创建实例代价大的, 且不一定使用时,这种方式可以减少开销

一般的情况下,构造方法没有太多处理时,我会使用「饿汉」方式, 因为它简单易懂,而且在JVM层实现了线程安全(如果不是多个类加载器环境)。只有在要明确实现延迟加载效果时我才会使用「静态内部类」方式。