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  • Java设计模式-单例模式

    单例模式

    作为对象的创建模式,单例模式确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。这个类称为单例类。

    单例模式的结构

    • 单例类只能有一个实例
    • 单例类必须自己创建自己的唯一实例
    • 单例类必须给所有其他对象提供这一实例

    饿汉式单例类

    package com.tutorialspoint;
    
    public class EagerSinleton {
        private static EagerSinleton instance = new EagerSinleton();
        private EagerSinleton() {}
        public static EagerSinleton getInstance() {
            return instance;
        }
    }

    上面例子中,在这个类被加载时,静态变量instance会被初始化,此时类的私有构造函数会被调用。这时候单例类的唯一实例就被创建出来了。

    饿汉式其实是一种比较形象的称谓。既然饿,那么在创建对象实例的时候就比较着急,饿了,于是在装载类的时候就创建对象实例。

    private static EagerSinleton instance = new EagerSinleton();

    饿汉式是典型的空间换时间,当类装载的时候就会创建类的实例,不管你用不用,先创建出来,然后每次调用的时候,就不需要再判断,节省了运行时间。

    懒汉式单例类

    package com.tutorialspoint;
    
    public class LazySingleton {
        private static LazySingleton instance = null;
        
        /*
         * 私有默认构造
         * */
        private LazySingleton() {}
        
        /*
         * 静态工厂方法
         * */
        public static synchronized LazySingleton getInstance() {
            if ( instance == null ) {
                instance = new LazySingleton();
            } 
            return instance;
        }
    }

    上面的懒汉式单例类实现对静态工厂方法使用同步化,以处理多线程环境。

    懒汉式其实是一种比较形象的称谓。既然懒,那么在创建对象实例的时候就不着急。会一直等到马上要使用对象实例的时候才会创建,懒人嘛,总是推脱不开的时候才会真正执行工作,因此在装卸对象的时候不创建对象实例。

    private static LazySingleton instance = null;

    懒汉式是典型的时间换空间。就是每次获取实例都会进行判断,看是否需要创建实例,浪费判断的时间。当然,如果一直没有人使用的话,那就不会创建实例,则节约内存空间。

    由于懒汉式的实现是线程安全的,这样会降低整个访问的速度,而且每次都要判断。

    双重检查加锁

    可以使用“双重检查加锁”的方式来实现,就可以既实现线程安全,又能够使性能不受很大的影响。那么什么是“双重检查加锁”机制呢?

    所谓“双重检查加锁”机制,指的是:并不是每次进入getInstance方法都需要同步,而是先不同步,进入方法后,先检查实例是否存在,如果不存在才进行下面的同步块,这是第一重检查,进入同步块过后,再次检查实例是否存在,如果不存在,就在同步的情况下创建一个实例,这是第二重检查。这样一来,就只需要同步一次了,从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。

    "双重检查加锁"机制的实现会使用关键字“volatile”,它的意思是“被volatie修饰的变量的值将不会被本地线程缓存,所有对该变量的读写都是直接操作共享内存”,从而确保多个线程能正确的出来该变量。

    注意:在java1.4以前的版本中,很多JVM对于volatile关键字的实现的问题,会导致“双重检查加锁”的失败,因此“双重检查加锁”机制只能用在Java5及以上的版本。

    package com.tutorialspoint;
    
    public class Singleton {
        private volatile static Singleton instance = null;
        
        private Singleton() {}
        
        public static Singleton getInstance() {
            //先检查实例是否存在,如果不存在才进入下面的同步块
            if ( instance == null ) {
                //同步块,线程安全的创建实例
                synchronized (Singleton.class) {
                    //再次检查实例是否存在,如果不存在才真正的创建实例
                    if ( instance == null ) {
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

    这种实现方式既可以实现线程安全地创建实例,而又不会对性能造成太大的影响。它只是第一次创建实例的时候同步,以后就不需要同步了,从而加快了运行速度。

    提示:由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中的一些必要的代码优化,所以运行效率不是很高。因此一般建议,没有特别的需要,不要使用,也就是说,虽然可以使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例,但并不建议大量采用,可以根据情况来选用。

    根据上面的分析,常见的两种单例实现方式都存在小小的缺陷,那么有没有一种方案,技能实现延迟加载,又能实现线程安全呢?

    Lay initialization holder class模式

    这个模式综合使用了Java的类级内部类和多线程缺省同步锁的知识,很巧妙的同事实现了延迟加载和线程安全。

    什么是类级内部类:

    类级内部类指的是,有static修饰的成员式内部类。如果没有static修饰的成员式内部类被称为对象级内部类。

    类级内部类相当于其外部类的static成分,它的对象与外部类对象之间不存在依赖关系,因此可以直接创建。而对象级内部类,是绑定在外部对象实例中的。

    类级内部类中,可以定义静态方法。在静态方法中只能引用外部类中的静态成员方法或者静态成员变量。

    类级内部类相当于其外部类的成员,只有在第一次被使用的时候才会被装载。

    多线程缺省同步锁:

    在多线程开发中,为了解决并发问题,主要通过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。但是在某些情况中,JVM已经隐含的为您执行了同步,这些情况及不用自己来进行同步控制了。这些情况包括:

    1. 由静态初始化器(在静态字段是或static{}块中的初始化器)初始化数据时
    2. 访问final字段时
    3. 在创建线程之前创建对象时
    4. 线程可以看见它将要处理的对象时

    解决方案:

    要想很简单地实现线程安全,可以采用静态初始化器的方式,它可以由JVM保证线程的安全性。比如前面的饿汉实现方式。但是这样一来,浪费了空间?因为这种实现方式,会在类装载的时候就初始化对象,不管你需不需要。

    如果现在有一种方法能让类装载的时候不去初始化对象,那就解决问题了,一种可行的方式是采用类级内部类,在这个类级内部类中去创建对象实例,这样一来,只要不使用到这个类级内部类,那就不会创建对象实例,从而同时实现延迟加载和线程安全。

    package com.tutorialspoint;
    
    public class Singleton {
        private Singleton() {}
        
        /*
         * 类级内部类,也就是静态的成员式内部类,该内部类的实例与外部类的实例没有绑定关系,而且只有被调用时才会装载,从而实现了延迟加载
         * 
         * */
        private static class SingletonHolder{
            /*
             * 静态初始化器,由JVM来保证线程安全
             * */
            private static Singleton instance = new Singleton();
        }
        public static Singleton getInstance() {
            return SingletonHolder.instance;
        }
    }

    当getInstance()方法第一次被调用时,它第一次读取SingletionHolder.instance,导致SingletonHolder类得到初始化;而这个类在装载并初始化的时候,会初始化它的静态域,从而创建Singletion的实例,由于是静态的,因此知乎在虚拟机装载类的时候初始化一次,并由虚拟机来保证它的线程安全性。

    这个模式的优势在于,getInstance()方法并没有被同步,并且只是执行一个域的访问,因此延迟初始化并没有增加任何访问成本。

    单例和枚举

    单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。用枚举来实现单例非常简单,只需要编写一个包含单个元素的枚举类型即可。

    package com.tutorialspoint;
    
    public enum SingletonN {
        /*
         * 定义一个枚举元素,它就代表了SingletionN的一个实例
         * */
        uniqueInstance;
        
        /*
         *单例可以有自己的操作
         * */
        public String singletonOperation() {
            //功能处理
            return "ssssssssssssssssssss";
        }
    }

    使用枚举类可以实现单实例控制更加简洁,而且无偿提供了序列化机制,并由JVM从根本上提供保障,绝对防止多次实例化,是更简洁,高效,安全的实现单例的方式。

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