Java设计模式解析 ---单例模式的实现

原创

疯狂的KK

修改于 2023-09-25 17:13:19

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修改于 2023-09-25 17:13:19

文章被收录于专栏：Java项目实战

导言

设计模式是我们日常工作中不可或缺的一部分。设计模式是一组经过验证的解决方案，用于解决在软件设计中经常遇到的问题。在本文中，我们将探讨在实际工作中用到过哪些设计模式，并详细介绍单例模式的实现。通过深入理解这些设计模式，我们可以更好地设计出可维护、可扩展和高性能的软件系统。

用到过的设计模式

1. 单例模式（Singleton Pattern）

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。在高级架构师的工作中，单例模式经常用于管理全局配置、共享资源、线程池等。

下面是单例模式的经典实现方式：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 私有构造函数，防止外部实例化
    }

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

在多线程环境中，通过双重检查锁定（Double-Checked Locking）确保线程安全性。

2. 工厂模式（Factory Pattern）

工厂模式是一种创建型设计模式，它定义了一个创建对象的接口，但允许子类决定实例化哪个类。工厂模式在我们需要根据不同条件创建不同类型的对象时非常有用。

下面是工厂模式的一个示例：

public interface Shape {
    void draw();
}

public class Circle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("画一个圆形");
    }
}

public class Rectangle implements Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("画一个矩形");
    }
}

public class ShapeFactory {
    public Shape getShape(String shapeType) {
        if (shapeType == null) {
            return null;
        }
        if (shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")) {
            return new Circle();
        } else if (shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")) {
            return new Rectangle();
        }
        return null;
    }
}

3. 观察者模式（Observer Pattern）

观察者模式是一种行为型设计模式，它定义了一种一对多的依赖关系，使多个对象能够同时监听一个主题对象的状态变化。这种模式在事件处理和消息通知中广泛应用。

下面是观察者模式的简单示例：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Subject {
    private List<Observer> observers = new ArrayList<>();
    private int state;

    public int getState() {
        return state;
    }

    public void setState(int state) {
        this.state = state;
        notifyAllObservers();
    }

    public void attach(Observer observer) {
        observers.add(observer);
    }

    public void notifyAllObservers() {
        for (Observer observer : observers) {
            observer.update();
        }
    }
}

public abstract class Observer {
    protected Subject subject;
    public abstract void update();
}

public class BinaryObserver extends Observer {
    public BinaryObserver(Subject subject){
        this.subject = subject;
        this.subject.attach(this);
    }

    @Override
    public void update() {
        System.out.println("Binary String: " + Integer.toBinaryString(subject.getState()));
    }
}

public class OctalObserver extends Observer {
    public OctalObserver(Subject subject){
        this.subject = subject;
        this.subject.attach(this);
    }

    @Override
    public void update() {
        System.out.println("Octal String: " + Integer.toOctalString(subject.getState()));
    }
}

public class HexaObserver extends Observer {
    public HexaObserver(Subject subject){
        this.subject = subject;
        this.subject.attach(this);
    }

    @Override
    public void update() {
        System.out.println("Hex String: " + Integer.toHexString(subject.getState()));
    }
}

单例模式的实现

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。这在需要共享资源或管理全局配置时非常有用。上面已经给出了单例模式的经典实现方式，下面将更详细地解释其实现原理：

经典的懒汉式实现

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 私有构造函数，防止外部实例化
    }

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

这个实现方式被称为懒汉式，因为它在需要时才创建实例。为了保证线程安全性，我们使用了双重检查锁定（Double-Checked Locking）机制。首先检查 instance 是否已经被实例化，如果没有，则进入同步块，再次检查 instance 是否为 null，如果是，则创建实例。这种方式避免了在每次获取实例时都进入同步块，提高了性能。

饿汉式实现

public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
        // 私有构造函数，防止外部实例化
    }

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

饿汉式单例模式在类加载时就创建了实例，因此不存在线程安全性问题。但它可能会导致资源浪费，因为不管是否真正需要该实例，它都会被创建。