饿汉模式的变体与扩展

1/1饿汉模式的变体与扩展第一部分双重检查加锁模式 2第二部分静态内部类模式 4第三部分枚举模式 5第四部分线程局部存储模式 8第五部分volatile关键字模式 10第六部分双重校验模式 13第七部分对象创建代理模式 15第八部分依赖注入模式 17

第一部分双重检查加锁模式双重检查加锁模式：

双重检查加锁模式（DCL）是饿汉模式的变种，其优势在于避免了不必要的同步开销，同时仍能确保线程安全。

实现原理：

DCL引入了volatile关键字，以确保对单例实例的可见性，即使它存储在其他线程的本地缓存中也是如此。该模式的步骤如下：

1.在未初始化单例之前，该字段存储为null。

2.如果字段为null，则使用同步代码块锁定该字段。

3.在锁定之前再次检查字段是否为null。如果在锁定期间另一个线程创建了单例，则此检查将防止当前线程重复创建。

4.如果字段仍然为null，则创建单例，并将其存储在字段中。

5.解锁字段。

线程安全保障：

DCL的线程安全保障源于对字段的两次检查：

*第一次检查：如果单例已经创建，则无需同步操作，从而避免了不必要的开销。

*第二次检查：即使在第一次检查和锁定之间有其他线程创建了单例，第二次检查也能确保当前线程不会重复创建。

与其他模式的比较：

与饥汉模式相比，DCL仅在需要时才进行同步操作，从而提高了效率。与懒汉模式相比，DCL通过第二次检查确保了线程安全，避免了可能导致空指针异常的竞态条件。

优点：

*高性能：仅在需要时才进行同步操作。

*线程安全：两次检查确保了线程安全。

*内存高效：单例在实际需要时才创建。

缺点：

*指令重排序：如果编译器或处理器对锁定的指令进行重排序，可能会导致单例在第二次检查之前创建，从而破坏线程安全。

*JVM版本依赖：DCL的正确性依赖于JVM的内存屏障实现，不同版本的JVM可能存在不同的行为。

应用场景：

DCL模式适用于单例类，这些类需要在需要时有效创建，并且需要线程安全保障。一些常见的场景包括：

*数据库连接池

*配置管理

*服务注册表

附加扩展：

为了解决指令重排序问题，可以采用以下扩展：

*volatile变量：将单例字段声明为volatile，以防止编译器和处理器对访问它的指令进行重排序。

*final字段：将单例字段声明为final，以防止在创建单例后重新分配。

*静态内部类：使用静态内部类创建单例，因为内部类只有在访问时才会初始化，从而避免了指令重排序的问题。第二部分静态内部类模式静态内部类模式

静态内部类模式是一种延迟加载机制，它利用Java语言中的静态内部类来实现懒汉模式的变体。在该模式中：

*饿汉类：外部类，负责创建和管理单例实例。

*静态内部类：一个私有静态内部类，负责延迟加载单例实例。

实现原理：

1.延迟加载：当调用饿汉类中的`getInstance()`方法时，首先会尝试访问静态内部类的`INSTANCE`字段。如果字段尚未初始化，则会触发静态内部类的加载和初始化。

2.线程安全：静态内部类的初始化是线程安全的，因为Java语言保证静态初始化器只会被执行一次。即使有多个线程同时调用饿汉类的`getInstance()`方法，也不会创建多个单例实例。

3.避免反射攻击：静态内部类与外部类解耦，可以通过反射机制访问外部类，但无法访问私有的静态内部类，从而避免反射攻击。

优点：

*线程安全：由JVM保证线程安全。

*避免反射攻击：静态内部类不可通过反射访问。

*延迟加载：延迟实例的创建，直到需要时才加载。

*代码简洁：相对于双重检查锁模式，代码更加简洁。

缺点：

*类加载开销：静态内部类的加载可能会产生额外的类加载开销，尤其是当单例类较重时。

扩展：

静态内部类模式可以进一步扩展，以提供额外的功能：

*多线程优化：可以在静态内部类中使用`volatile`关键字来确保线程之间的可见性，以提高多线程性能。

*单例工厂模式：可以使用静态内部类来实现单例工厂模式，从而提供额外的灵活性和可扩展性。

*依赖注入：可以通过将依赖项作为参数传递给静态内部类的构造函数，来使用静态内部类实现依赖注入。

结论：

静态内部类模式是一种延迟加载机制，它结合了懒汉模式和静态内部类，提供了线程安全、避免反射攻击和延迟加载等优点。该模式简单易用，并可通过扩展提供额外的功能，使其成为实现单例模式的一个常用选择。第三部分枚举模式关键词关键要点【枚举模式】：

1.该模式将多个常量声明为一个枚举类型，并在枚举类型中定义一个和每个常量关联的名称。

2.枚举常量的值通常是连续的整数，但也可以显式指定。

3.枚举类型提供了一种表示有限、特定值集合的安全且类型化的方式。

【多例模式】：

枚举模式

枚举模式是一种惰性单例模式，它通过在首次访问时创建实例来延迟实例化。其优点是避免了不必要的实例化，提高了性能。

工作原理

枚举模式利用Java中的枚举类型来实现惰性实例化。在枚举类型中，每个枚举值都表示一个单例实例。当枚举值第一次被引用时，它的实例才会被创建。

以下是枚举模式的代码示例：

```java

INSTANCE;

//业务逻辑

}

}

```

```java

Singleton.INSTANCE.doSomething();

```

变体

枚举模式有多种变体，包括：

*Thread-safe枚举：通过添加一些同步机制来保证线程安全，例如使用`synchronized`修饰符。

*带有参数的枚举：允许枚举实例携带构造器参数，从而支持在创建时配置实例。

*双重检查枚举：在首次访问实例时进行双重检查，以避免不必要的同步开销。

扩展

枚举模式可以通过以下方式进行扩展：

*支持延迟加载：延迟加载允许在使用实例时才加载实际的实现。这对于大型或复杂实例很有用，因为它可以减少启动时间。

*支持可变状态：通过使用`java.util.concurrent.atomic`包中的并发类，枚举模式可以支持可变状态。这使得枚举实例能够存储和修改其内部状态。

*支持序列化：枚举模式可以通过实现`java.io.Serializable`接口来支持序列化。这允许枚举实例被持久化到文件中或通过网络传输。

优缺点

优点：

*惰性实例化：避免不必要的实例化。

*线程安全：天然线程安全。

*简单性：实现简单易懂。

缺点：

*有限的扩展性：枚举模式缺乏一些单例模式的扩展性，例如支持参数化构造函数。

*性能开销：枚举模式的反射开销高于其他单例模式。

最佳实践

在使用枚举模式时，应遵循以下最佳实践：

*只使用一个枚举值：枚举类型应只包含一个枚举值，以确保单例性。

*将枚举声明为私有：枚举类型应声明为私有，以防止直接访问其构造函数。

*使用静态导入：使用静态导入来简化对枚举实例的访问。

*考虑线程安全性：如果需要线程安全性，应使用Thread-safe枚举变体。第四部分线程局部存储模式线程局部存储模式

线程局部存储（ThreadLocalStorage，TLS）模式是一种饿汉模式的变例，它为每个线程提供了一个独立的实例，从而避免了多线程环境下对共享资源的竞争。

原理

TLS模式利用线程局部存储（TLS）机制在每个线程中维护一个实例副本。TLS是一种操作系统提供的机制，允许线程拥有自己的私有数据结构，这些数据结构对其他线程不可见。

实现

TLS模式的实现通常涉及以下步骤：

1.创建一个静态类变量，指向类的唯一实例。

2.在每个线程中创建TLS槽位，用于存储实例引用。

3.线程首次请求实例时，检查TLS槽位是否已包含实例引用。

4.如果不存在实例引用，则创建并存储一个实例副本。

5.返回TLS槽位中的实例引用。

优点

TLS模式具有以下优点：

*线程安全：每个线程都有自己的实例副本，从而消除了多线程并发访问共享资源的风险。

*轻量级：与其他饿汉模式变体（如双重检查锁定）相比，TLS模式更为轻量级，因为不需要额外的同步机制。

*高效：TLS槽位的访问通常非常高效，因为它们由操作系统直接支持。

缺点

TLS模式也有一些缺点：

*内存开销：为每个线程维护一个实例副本可能会增加内存开销，尤其是在实例对象较大时。

*扩展性：TLS槽位数量通常是有限的，这可能会限制实例数量。

*跨线程访问：TLS实例只能从创建它们的线程访问，这可能会对跨线程共享数据造成限制。

扩展

TLS模式可以扩展以下特性：

*可配置实例：TLS模式可以扩展，允许在运行时配置实例，例如通过使用依赖注入框架。

*动态创建实例：TLS模式可以扩展，允许根据需要动态创建实例，而不是预先创建它们。

*缓存实例：TLS模式可以扩展，允许对频繁访问的实例进行缓存，从而提高性能。

结论

线程局部存储模式是一种饿汉模式的变体，它通过为每个线程提供一个独立的实例来保证线程安全。TLS模式轻量级、高效，但存在内存开销、扩展性和跨线程访问限制等缺点。通过扩展TLS模式，可以提高其灵活性和性能。第五部分volatile关键字模式关键词关键要点【volatile关键字模式】：

1.通过声明一个volatile型别变量来实现单例，确保每次访问时总是获取到最新的实例。

2.该模式非常简单且易于理解，但可能会影响性能，因为每次访问都会从主内存中读取变量。

3.适用于对线程安全性要求不高或对性能影响不敏感的情况。

【延迟初始化模式】：

volatile关键字模式

volatile关键字模式是一种饿汉模式的变体，它利用Java语言中的volatile关键字来确保变量的可见性。volatile关键字用于修饰变量，表明该变量的值可能随时被其他线程修改，因此需要从主存中读取最新的值。

在volatile关键字模式中，单例类的实例被声明为volatile，如下所示：

```java

privatestaticvolatileSingletoninstance;

//...其他方法

}

```

当第一次访问Singleton.instance时，volatile关键字将确保从主存中读取最新的值，而不是使用可能已过期的本地缓存值。这确保了所有线程始终都能获得单例类的最新实例。

#volatile关键字模式的优点和缺点

优点：

*简单易用：volatile关键字模式的实现非常简单，易于理解和使用。

*线程安全：volatile关键字可以确保单例实例在多线程环境中的可见性和正确性。

*性能开销低：volatile关键字只增加了一次额外的内存访问，性能开销非常低。

缺点：

*可能存在轻微的性能下降：由于需要从主存中读取最新值，volatile关键字模式可能会比其他饿汉模式变体略慢。

*不能防止反射创建多个实例：volatile关键字模式不能防止使用反射创建多个单例实例。

#volatile关键字模式的应用场景

volatile关键字模式适用于需要在多线程环境中确保单例类实例可见性和正确性的场景。它特别适合于以下场景：

*应用程序需要在多线程环境中共享一个单例对象。

*应用程序需要在多线程环境中访问单例对象的状态。

*应用程序需要确保单例对象在多线程环境中的一致性。

#其他扩展：

除了volatile关键字模式之外，饿汉模式还有一些其他扩展，包括：

*双重检查锁模式：该模式使用双重检查锁机制来确保单例类的实例在多线程环境中的可见性。

*静态内部类模式：该模式使用静态内部类来延迟单例类的实例化，直到首次访问。

*枚举模式：该模式利用Java枚举类型的特性来创建线程安全的单例类。

具体选择哪种饿汉模式的扩展取决于应用程序的具体要求和性能考虑。第六部分双重校验模式双重校验模式

双重校验模式（Double-CheckingLocking，DCL）是一种饿汉模式的变体，旨在避免对共享对象的非必要的同步开销。它通过以下步骤创建单例对象：

1.检查单例对象是否已创建。

2.如果未创建，则同步代码块（即双重校验）。

3.再次检查单例对象是否已创建。

4.如果仍未创建，则创建单例对象并将其分配给静态字段。

双重校验模式的优势在于，如果单例对象已经创建，它可以避免同步开销。然而，它在多线程环境中存在线程安全问题，因为在步骤2和步骤3之间，另一个线程可能已经创建了单例对象。

解决线程安全问题

解决此线程安全问题的方法之一是使用volatile关键字修饰单例对象字段。volatile关键字确保对静态字段的每个写入和读取操作都成为原子操作，从而防止编译器对它们进行优化。

另一种解决方法是使用原子变量来管理单例对象的创建过程。原子变量提供了原子操作，例如比较并交换（CAS）操作，可用于安全地更新单例对象字段。

扩展：Lock-free双重校验

Lock-free双重校验是一种扩展的双重校验模式，它在没有同步开销的情况下创建单例对象。它通过利用compare-and-set(CAS)操作来实现，该操作将一个值原子地写入变量并在写入成功时返回true，否则返回false。

步骤：

1.检查单例对象是否已创建。

2.如果未创建，则创建单例对象并尝试通过CAS操作将其分配给静态字段。

3.如果CAS操作成功，则单例对象已创建。否则，另一个线程可能已经创建了单例对象。

4.重复步骤2和3，直到CAS操作成功。

优势：

*消除同步开销，提高性能。

*提供强线程安全性。

局限性：

*依赖底层硬件和平台支持CAS操作。

*可能比其他饿汉模式变体更复杂。

结论

双重校验模式是饿汉模式的一种变体，可减少同步开销。然而，它具有潜在的线程安全问题。通过使用volatile关键字或原子变量可以解决这些问题。Lock-free双重校验是双重校验模式的扩展，它通过消除同步开销进一步提高性能。第七部分对象创建代理模式关键词关键要点对象创建代理模式

1.概念：一种设计模式，将对象的创建过程从客户端代码中分离出来，委托给一个独立的代理对象。

2.优点：提高代码的可重用性、可扩展性和可测试性。

3.应用场景：需要延迟对象创建、控制对象创建次数或执行其他与创建相关处理时。

【趋势和扩展】：

延迟加载代理模式

对象创建代理模式

概述

对象创建代理模式是一种饿汉模式的变体，它通过创建一个轻量级代理对象来延迟实际对象的初始化，从而减少内存开销和初始化时间。

设计

对象创建代理模式主要由以下类组成：

*代理对象（Proxy）：轻量级对象，负责创建实际对象。

*实际对象（RealSubject）：需要延迟初始化的实际对象。

*客户端（Client）：通过代理对象访问实际对象。

实现

1.代理对象实现与实际对象相同的接口。

2.代理对象在构造时不初始化实际对象，而是延迟到首次访问时。

3.当客户端首次调用代理对象的方法时，代理对象创建实际对象并委托调用。

4.实际对象创建后，代理对象将其缓存以供后续调用使用。

变体

对象创建代理模式有以下变体：

*提前实例化代理：在应用程序启动时实例化代理对象，但延迟创建实际对象。

*惰性初始化代理：仅在客户端首次调用时实例化代理对象和实际对象。

*线程安全代理：确保代理对象在多线程环境中安全地访问实际对象。

优点

*降低内存消耗：只有在需要时才创建实际对象，从而减少内存开销。

*提高初始化速度：延迟初始化实际对象，可以减少应用程序启动时间。

*提高灵活性：代理对象可以轻松替换实际对象，而无需修改客户端代码。

*简化测试：代理对象可以模拟实际对象的创建，方便单元测试。

缺点

*间接性：客户端通过代理对象访问实际对象，增加了代码复杂性。

*性能开销：创建代理对象需要额外的开销，特别是对于频繁创建对象的场景。

*资源泄漏：如果客户端不正确使用代理对象，可能会导致实际对象未释放，造成资源泄漏。

应用示例

对象创建代理模式通常用于以下场景：

*初始化昂贵或耗时的对象。

*初始化可能不经常使用的对象。

*需要在多线程环境中安全地访问对象。

*需要在测试中模拟对象创建。

与其他饿汉模式变体的比较

与其他饿汉模式变体相比，对象创建代理模式提供了以下优势：

*延迟初始化：允许在需要时延迟初始化实际对象。

*轻量级代理：创建一个轻量级的代理对象，而不是完整的实际对象。

*灵活性：可以轻松替换代理对象或实际对象。

结论

对象创建代理模式是一种高效的饿汉模式变体，通过延迟初始化实际对象，可以减少内存消耗和初始化时间。它提供了灵活性、性能优化和测试便利性的优势。在需要延迟初始化昂贵或不经常使用的对象的情况下，对象创建代理模式是一个有用的设计模式。第八部分依赖注入模式关键词关键要点【依赖注入模式】：

1.依赖注入是一种设计模式，它将对象的创建和使用解耦合。简化了代码结构，提高了灵活性。

2.依赖注入的核心思想是通过容器管理对象之间的依赖关系。容器负责创建和管理对象，并将其注入到需要它们的类中。

3.实现了松散耦合和可测试性。通过使用依赖注入，类可以更容易地被测试，因为它们不再需要创建自己的依赖项。

【依赖查找模式】：

依赖注入模式

依赖注入模式（DI）是一种设计模式，它允许对象将其依赖项通过构造函数或方法注入，而不是在对象内部直接创建或查找它们。这使得应用程序更加灵活和可测试，因为依赖项现在可以轻松地交换或模拟。

DI的优点

*可测试性：通过注入依赖项，可以轻松地模拟或替换它们进行单元测试，从而简化了测试过程。

*可重用性：依赖项注入使对象更容易重用，因为它们不再需要了解具体依赖项的实现细节。

*灵活性：应用程序可以通过注入不同的依赖项来轻松适应不同的环境或需求，提高了应用程序的灵活性。

*避免硬编码：DI有助于避免硬编码依赖项，从而提高应用程序的可维护性和可配置性。

DI的实现

DI可以使用各种机制实现，包括：

*构造函数注入：依赖项通过构造函数传递给对象。

*方法注入：依赖项通过方法传递给对象，通常使用setter方法。

*属性注入：依赖项直接注入到对象的属性中，通常使用反射机制。

DI框架

有多种DI框架可用于简化应用程序中的依赖项管理，包括：

*SpringFramework：Java中流行的DI框架，提供强大的功能和广泛的支持。

*Guice：另一个流行的JavaDI框架，以其速度和灵活性而闻名。

*Ninject：一个针对.NET应用程序的DI框架。

*Autofac：另一个针对.NET应用程序的DI框架。

DI的变体

DI模式有多种变体，包括：

*依赖查询注入：依赖项由对象本身从容器中查询，而不是通过构造函数或方法注入。

*接口注入：依赖项作为接口注入，允许更松散的耦合和更简单的测试。

*作用域注入：依赖项的作用域限定为特定请求或生命周期，从而实现了更好的资源管理。

DI的扩展

DI模式已扩展到其他领域，包括：

*配置注入：允许将应用程序配置注入到对象中，简化了应用程序配置和管理。

*元数据注入：允许将元数据注入到对象中，用于反射和代码生成。

*服务定位：允许在运行时查找和实例化服务，提供更灵活和动态的依赖项管理。

结论

依赖注入模式是构建灵活、可测试和可重用应用程序的重要设计原则。通过使用DI，开发人员可以减少硬编码，提高可测试性，并简化应用程序的配置和管理。关键词关键要点主题名称：双重检查加锁模式

关键要点：

1.采用延迟初始化的方式，在第一次使用时创建单例对象，避免不必要的对象创建开销。

2.使用synchronized同步块保证线程安全，在进入临界区时进行检查，如果实例已经创建，则直接返回，否则再进行创建。

3.结合volatile关键字，确保实例的可见性，避免指令重排序问题。

主题名称：静态内部类模式

关键要点：

1.将单例对象定义为一个嵌套在静态内部类中的静态属性。

2.延迟加载，在第一次访问静态属性时才创建单例对象。

3.静态内部类是非公开的，保证了单例对象的安全性。

主题名称：枚举模式

关键要点：

1.利用Java枚举的天然单例特性，每个枚举值都对应一个单例对象。

2.枚举是线程安全的，内部采用synchronized同步机制。

3.代码简洁，维护方便，但枚举值数量有限制。

主题名称：容器化模式

关键要点：

1.将单例对象存储在一个容器中，如Map或Set。

2.延迟加载，在第一次使用时才创建单例对象。

3.支持动态添加和移除单例对象，灵活性高。

主题名称：代理模式

关键要点：

1.创建一个单例代理对象，委托给实际的单例对象。

2.通过代理对象控制单例对象的创建和访问。

3.解耦单例对象的创建和使用，增强可测试性和可维护性。

主题名称：工厂模式

关键要点：

1.创建一个工厂类，负责创建和管理单例对象。

2.延迟加载，在第一次使用时才创建单例对象。

3.提供创建单例对象的统一接口，提高代码复用性和可扩展性。关键词关键要点静态内部类模式

关键要点：

1.延迟初始化：仅在需要创建饿汉式单例时才进行实例化，避免不必要的资源消耗。

2.线程安全：内部类在加载时会被初始化，保证了线程安全。

3.类加载时初始化：内部类随外部类一同加载，确保在多线程环境下也能正确地创建单例。

静态代码块模式

关键要点：

1.初始化延迟：使用静态代码块在类加载时初始化单例，避免了不必要的实例化。

2.线程安全：静态代码块的执行是同步的，保证了线程安全。

3.延迟加载：单例仅在第一次被访问时才会被初始化，节省了内存空间。

登记式模式

关键要点：

1.容器管理：使用一个容器来管理单例，提供了一个统一的入口。

2.延迟加载：仅在需要时才创建单例，避免了不必要的资源消耗。

3.可扩展性：容器可以根据需要注册和注销单例，提供了较高的可扩展性。

双重检查锁定模式

关键要点：

1.双重检查：在对锁进行同步之前进行一次检查，以避免不必要的锁竞用。

2.线程安全：通过双重检查和锁定来保证线程安全，在多线程环境下也能正确地创建单例。

3.性能优化：减少了锁的使用，提高了性能。

枚举模式

关键要点：

1.枚举单例：使用枚举来实现单例，枚举的唯一实例天然具有单例特性。

2.线程安全：枚举是线程安全的，无需额外的并发控制。

3.好处：实现简单，代码简洁。

函数式模式

关键要点：

1.闭包作用域：将单例包装在一个闭包中，利用闭包的作用域来实现单例。

2.惰性加载：仅在访问闭包内的变量时才进行初始化，实现惰性加载。

3.可切换性：允许在不同的运行时环境中切换不同的实现，提供了灵活性。关键词关键要点线程局部存储模式

关键要点：

*线程局部变量（TLVs）：每个线程都拥有独立的变量副本，不同线程对同一变量的操作互不影响。

*提高并发性：由于变量在每个线程中是私有的，因此可以避免多线程访问同一变量时产生的竞争条件，从而提高并发性。

*提升性能：减少了线程之间的共享内存访问，从而可以提高性能。

线程局部存储的实现

关键要点：

*平台依赖性：TLS的实现方式因平台而异，不同的平台提供了不同的API。

*API支持：大多数平台提供TLSAPI，如POSIX线程库中的pthread_key_create()和pthread_getspecific()。

*兼容性考虑：在编写跨平台代码时，需要考虑不同平台TLSAPI的兼容性差异。

TLS的扩展

关键要点：

*高效内存管理：TLS提供了高效的内存管理机制，可以通过线程退出时自动释放关联