重读 Java 设计模式: 解析单例模式,保证唯一实例的创建与应用

本周工作太忙了，变成了加班狗，下班回来也没时间写，只能利用周末时间写了😭。

好了，言归正传，本次我们先来介绍下设计模式中创建型模式-单例模式。

一、引言

单例模式是设计模式中最简单但又最常用的一种模式之一。它确保某个类只能有一个实例，并提供了全局访问点，使得该实例在整个应用程序中都可以被访问。在本文中，我们将深入探讨单例模式的实现方式、应用场景以及实践指南。

二、基本概念

除了引言一段中，单例模式除了实例全局唯一和全局访问点外，还有其他特点，下面我将一一罗列出来：

• 实例全局唯一：单例模式确保一个类只有一个实例对象存在，无论在何处访问该类，都将得到相同的实例。通过单例模式，可以防止不必要的多次实例化，确保系统中某个类只有一个实例存在。
• 全局访问点：单例模式提供了一个全局的访问点，任何地方都可以通过该访问点获取到单例实例。
• 延迟加载：许多单例模式的实现方式采用了延迟加载的策略，即在需要时才创建实例对象，而不是在类加载时就创建。
• 线程安全：好的单例模式实现应该是线程安全的，即在多线程环境下也能够正确地保持单例对象的唯一性。
• 节约资源：单例模式可以节约系统资源，特别是那些需要频繁创建和销毁的对象，如数据库连接、线程池等。
• 全局状态管理：单例模式可以用于管理全局的状态信息，例如配置管理器、日志系统等

三、单例模式的五种经典实现案例

3.1 饿汉式单例模式

优点：

• 线程安全：在类加载时就创建实例对象，因此不存在多线程环境下的线程安全问题。
• 简单易理解：实现简单，易于理解和使用。

缺点：

• 不支持延迟加载：在类加载时就创建实例对象，可能会导致资源浪费，尤其是在实例对象较大或者初始化过程较为复杂的情况下。

package com.markus.desgin.mode.creational.singleton;

/**
 * @Author: zhangchenglong06
 * @Date: 2024/3/6
 * @Description: 单例模式一：急切初始化
 */
public class EagerlyInitSingleton {
  // 利用 类加载机制中 static 属性加载特性：全局只加载一遍，不会随实例的初始化重复加载
  private static EagerlyInitSingleton INSTANCE = new EagerlyInitSingleton();

  public static EagerlyInitSingleton getInstance() {
    return INSTANCE;
  }

  public static void main(String[] args) {
    EagerlyInitSingleton eagerlyInitSingleton1 = getInstance();
    EagerlyInitSingleton eagerlyInitSingleton2 = getInstance();

    System.out.println(eagerlyInitSingleton1 == eagerlyInitSingleton2);

  }
}

3.2 懒汉式单例模式

优点：

• 延迟加载：只有在需要时才创建实例对象，节省了系统资源。
• 简单易理解：实现简单，易于理解和使用。

缺点：

• 线程不安全：在多线程环境下，如果多个线程同时调用获取实例的方法，可能会创建多个实例对象，导致单例模式失效。
• 性能低下：由于使用了 synchronized 关键字进行同步，导致性能较低。

package com.markus.desgin.mode.creational.singleton;

/**
 * @Author: zhangchenglong06
 * @Date: 2024/3/6
 * @Description: 单例模式二: 懒加载模式
 */
public class LazyInitSingleton {
  private static LazyInitSingleton INSTANCE = null;

  public static synchronized LazyInitSingleton getInstance() {
    if (INSTANCE == null) {
      INSTANCE = new LazyInitSingleton();
    }
    return INSTANCE;
  }

  public static void main(String[] args) {
    LazyInitSingleton singleton1 = getInstance();
    LazyInitSingleton singleton2 = getInstance();

    System.out.println(singleton1 == singleton2);

  }
}

3.3 双重检验锁单例模式

优点：

• 线程安全：通过双重检验锁机制来确保只有一个实例对象被创建，解决了懒汉式单例模式的线程安全问题。
• 延迟加载：只有在需要时才创建实例对象，节省了系统资源。

缺点：

• 实现复杂：双重检验锁的实现较为复杂，需要注意双重检验锁中的原子性问题。

package com.markus.desgin.mode.creational.singleton;

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

/**
 * @Author: zhangchenglong06
 * @Date: 2024/3/6
 * @Description:
 */
public class DoubleCheckLockSingleton {
  // volatile 加入内存屏障机制，将 实例对象的初始化过程 顺序保证原子性
  private static volatile DoubleCheckLockSingleton INSTANCE;

  public static DoubleCheckLockSingleton getInstance() {
    if (INSTANCE == null) {
      // 局部加锁，相比懒汉式，性能更优
      synchronized (DoubleCheckLockSingleton.class) {
        if (INSTANCE == null) {
          // 这个阶段可能会由于 JVM 的性能优化，内部字节码出现乱序执行的情况，所以加上 volatile 关键字
          INSTANCE = new DoubleCheckLockSingleton();
        }
      }
    }
    return INSTANCE;
  }

  public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    DoubleCheckLockSingleton singleton1 = getInstance();
    DoubleCheckLockSingleton singleton2 = getInstance();

    System.out.println(singleton1 == singleton2);

    CompletableFuture<DoubleCheckLockSingleton> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(DoubleCheckLockSingleton::getInstance);
    CompletableFuture<DoubleCheckLockSingleton> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(DoubleCheckLockSingleton::getInstance);
    singleton1 = future1.get();
    singleton2 = future2.get();
    System.out.println(singleton1 == singleton2);
  }
}

3.4 静态内部类单例模式

优点：

• 线程安全：利用类加载机制保证了静态内部类只会被加载一次，从而保证了单例的线程安全性。
• 延迟加载：只有在需要时才会加载静态内部类，从而实现了延迟加载。

缺点：

• 不支持传参：静态内部类方式不能支持传递参数给单例的构造函数，因为静态内部类的实例化是由 JVM 保证线程安全的，不能传递参数。

package com.markus.desgin.mode.creational.singleton;

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

/**
 * @Author: zhangchenglong06
 * @Date: 2024/3/6
 * @Description: 单例模式四: 静态内部类
 */
public class StaticInnerClassSingleton {
  private static class Singleton {
    public static StaticInnerClassSingleton INSTANCE = new StaticInnerClassSingleton();
  }

  private StaticInnerClassSingleton() {
  }

  public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
    return Singleton.INSTANCE;
  }

  public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
    StaticInnerClassSingleton singleton1 = getInstance();
    StaticInnerClassSingleton singleton2 = getInstance();

    System.out.println(singleton1 == singleton2);

    CompletableFuture<StaticInnerClassSingleton> future1 = CompletableFuture.supplyAsync(StaticInnerClassSingleton::getInstance);
    CompletableFuture<StaticInnerClassSingleton> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(StaticInnerClassSingleton::getInstance);
    singleton1 = future1.get();
    singleton2 = future2.get();
    System.out.println(singleton1 == singleton2);
  }
}

4.4 枚举单例模式

优点：

• 线程安全：枚举类型是线程安全的，并且只会装载一次，从而保证了单例的线程安全性。
• 防止反射攻击：枚举类型在反序列化时会检查是否为枚举，从而防止了反射攻击。

缺点：

• 不支持延迟加载：枚举类型是在类加载时就实例化的，无法实现延迟加载，可能会导致资源浪

package com.markus.desgin.mode.creational.singleton;

/**
 * @Author: zhangchenglong06
 * @Date: 2024/3/6
 * @Description: 单例模式五: 枚举
 */
public enum EnumSingleton {
  INSTANCE;

  public EnumSingleton getInstance(){
    return INSTANCE;
  }
}

单例模式在 Spring 中的应用场景

在 Spring 框架中，所有被 Spring 管理的 Bean 默认都是单例的。Spring 容器负责创建这些 Bean 的唯一实例，并在需要时注入到其他 Bean 中。

例如：

• 业务 Spring Bean：这种一般是用户自定义的实例，将其定义到 Spring 框架中，并由 Spring 容器进行管理
• 框架基础设施 Bean：
  • 资源加载器（ResourceLoader）：Spring 框架提供了资源加载器来加载各种资源，如配置文件、静态文件等。资源加载器通常也是单例的，在整个应用程序中只存在一个实例，负责加载和管理资源。
  • 事件广播器（ApplicationEventPublisher）：Spring 框架提供了事件机制来支持应用程序中的事件处理，而事件发布器用于发布事件通知给感兴趣的监听器。事件发布器通常也是单例的，在整个应用程序中只存在一个实例，负责发布事件通知。
  • 数据源（DataSource）：在 Spring 中，数据源用于连接数据库，并提供了对数据库的访问。通常情况下，数据源也是单例的，在整个应用程序中只存在一个实例，负责管理数据库连接。
  • 事务管理器（PlatformTransactionManager）：Spring 框架提供了事务管理器来管理事务的提交和回滚。事务管理器通常也是单例的，在整个应用程序中只存在一个实例，负责管理事务的生命周期。
  • 请求分发（DispatcherServlet）：DispatcherServlet是Spring MVC框架中的前端控制器，负责接收HTTP请求并将请求分发给相应的控制器进行处理。在Spring MVC中，通常会配置一个全局的DispatcherServlet实例，以确保整个应用程序中只有一个DispatcherServlet实例。
  • 等等…

还有一些其他使用场景，例如 DefaultBeanNameGenerator、SimpleAutowireCandidateResolver 等等。

实践指南

在实践中，我们应该注意以下几点：

• 线程安全性：在多线程环境下，要确保单例模式的实现是线程安全的，可以考虑使用双重检查锁或者静态内部类的方式来实现单例。
• 懒加载与饿加载：根据项目的实际需求，选择合适的单例实现方式，是懒加载还是饿加载。
• 防止反射和序列化攻击：考虑通过私有构造函数、枚举类型等方式来防止反射和序列化攻击。

本文总结

好了，总结一下：

本文详细介绍了单例模式在设计模式中的重要性以及在Spring框架中的应用场景。首先，我们从单例模式的基本概念出发，介绍了其特点和优势，包括全局唯一实例、延迟加载、线程安全等。然后，我们深入讨论了单例模式的五种经典实现案例，包括饿汉式、懒汉式、双重检验锁、静态内部类和枚举方式，每种实现方式的优缺点都进行了详细分析和比较。接着，我们探讨了单例模式在Spring框架中的应用场景，涵盖了Bean管理、IoC容器、AOP代理等各个方面。最后，我们给出了一些实践指南，帮助读者在实际项目中正确使用单例模式。

综上所述，单例模式作为一种简单但又非常重要的设计模式，在实际开发中有着广泛的应用，特别是在Spring框架等大型应用程序中。通过深入理解和正确应用单例模式，可以有效提高系统的性能和可维护性，是每个Java开发者都应该掌握的重要知识点。