设计模式之单例模式

Posted 2022-11-28 i蝸居年華_谢谢谢

设计模式(Design pattern):

是一套被反复使用, 多数人知晓的, 经过分类遍目的,代码设计经验的总结.

 

目的:

使用设计模式是为了可重用代码, 让代码更容易被他人理解, 保证代码的可靠性

 

单例模式(Singleton): 

保证整个应用中某个实例有且只有一个

 

有些对象我们只需要一个: 配置文件, 工具类, 线程池, 缓存, 日志对象等.

如果创造出多个实例就会导致训多问题: 比如占用过多资源,不一致的结果等

 

单例模式三要素:

1. 静态的私有的本类型的变量

2. 构造方法私有化

3. 提供一个公共的静态的入口点方法

//第一种: 饿汉式  
public class SingletonParrent01   
    public static void main(String[] args)  
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();  
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(s1 == s2);  
      
 
class Singleton  
      
    private Singleton()  
      
    private static Singleton instance = new Singleton();;  
      
    public static Singleton getInstance()  
        return instance;  
     
 

类加载阶段创建对象, 并且只创建一次

不好处, 无论这个类是否被使用,都会创建. 所以很多创建过程是无用的.

//第二种: 懒汉式lazy loaded   
public class SingletonParrent2   
    public static void main(String[] args)  
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();  
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();  
        System.out.println(s1 == s2);  
        System.out.println(s1);  
        System.out.println(s2);  
      
  
  
class Singleton  
    private Singleton()  
    private static Singleton instance;  
    public static Singleton getInstance()  
        if(instance == null)  
            instance = new Singleton();  
          
        return instance;  
      
  

上面的代码很清楚，也很简单。然而就像那句名言：“80%的错误都是由20%代码优化引起的”。单线程下，这段代码没有什么问题，可是如果是多线程，麻烦就来了。

 

我们来分析一下：

线程A希望使用Singleton，调用getInstance()方法。因为是第一次调用，A就发现instance是null的，于是它开始创建实例，就在这个时候，CPU发生时间片切换，线程B开始执行，它要使用Singleton，调用getInstance()方法，同样检测到instance是null——注意，这是在A检测完之后切换的，也就是说A并没有来得及创建对象——因此B开始创建。B创建完成后，切换到A继续执行，因为它已经检测完了，所以A不会再检测一遍，它会直接创建对象。这样，线程A和B各自拥有一个Singleton的对象——单例失败！

所以懒汉式是线程不安全的. 

 

所以,我们用加锁来试一下.

public class Singleton    
  
      private static Singleton instance = null;   
      
    public synchronized static Singleton getInstance()    
        if(instance == null)    
          instance = new Singleton();   
           
          return instance;   
         
      
    private Singleton()        
  

这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了

 

但是不管是否为Null, 只要调用getInstance()方法, 都会进入synchronized同步代码块, 速度会很慢. 性能很低.让我们来分析一下，究竟是整个方法都必须加锁，还是仅仅其中某一句加锁就足够了？我们为什么要加锁呢？分析一下出现lazy loaded的那种情形的原因。原因就是检测null的操作和创建对象的操作分离了。如果这两个操作能够原子地进行，那么单例就已经保证了。于是，我们开始修改代码：

//double-checked locking  
public class Singleton    
  
    private static Singleton instance = null;   
  
    public static Singleton getInstance()    
        if (instance == null)    
            synchronized (Singleton.class)    
                if (instance == null)    
                    instance = new Singleton();   
                   
               
           
        return instance;   
           
  
    private Singleton()    
  
       
  

首先判断instance是不是为null，如果为null，加锁初始化；如果不为null，直接返回instance。

从源头检查:

下面我们开始说编译原理。所谓编译，就是把源代码“翻译”成目标代码——大多数是指机器代码——的过程。针对Java，它的目标代码不是本地机器代码，而是虚拟机代码。编译原理里面有一个很重要的内容是编译器优化。所谓编译器优化是指，在不改变原来语义的情况下，通过调整语句顺序，来让程序运行的更快。这个过程成为reorder。要知道，JVM只是一个标准，并不是实现。JVM中并没有规定有关编译器优化的内容，也就是说，JVM实现可以自由的进行编译器优化。

 

下面来想一下，创建一个变量需要哪些步骤呢？

一个是申请一块内存，调用构造方法进行初始化操作，另一个是分配一个指针指向这块内存。这两个操作谁在前谁在后呢？JVM规范并没有规定。那么就存在这么一种情况，JVM是先开辟出一块内存，然后把指针指向这块内存，最后调用构造方法进行初始化。

 

下面我们来考虑这么一种情况：线程A开始创建SingletonClass的实例，此时线程B调用了getInstance()方法，首先判断instance是否为null。按照我们上面所说的内存模型，A已经把instance指向了那块内存，只是还没有调用构造方法，因此B检测到instance不为null，于是直接把instance返回了——问题出现了，尽管instance不为null，但它并没有构造完成，就像一套房子已经给了你钥匙，但你并不能住进去，因为里面还没有收拾。此时，如果B在A将instance构造完成之前就是用了这个实例，程序就会出现错误了！

 

 

解决方案:

说了这么多，难道单例没有办法在Java中实现吗？其实不然！在JDK 5之后，Java使用了新的内存模型。volatile关键字有了明确的语义——在JDK1.5之前，volatile是个关键字，但是并没有明确的规定其用途——被volatile修饰的写变量不能和之前的读写代码调整，读变量不能和之后的读写代码调整！因此，只要我们简单的把instance加上volatile关键字就可以了。

/* 
   volatile关键字 
*/  
public class Singleton    
  
  private volatile static Singleton instance = null;   
  
  public static Singleton getInstance()    
    if (instance == null)    
      synchronized (Singleton.class)    
        if(instance == null)    
          instance = new Singleton();   
           
         
       
    return instance;   
     
  
  private Singleton()    
  
     
      
  

而，这只是JDK1.5之后的Java的解决方案，那之前版本呢？其实，还有另外的一种解决方案，并不会受到Java版本的影响：

/* 
    静态内部类方式 
*/  
public class Singleton    
      
  private static class SingletonInstance    
    private static final Singleton instance = new Singleton();   
     
  
  public static Singleton getInstance()    
    return SingletonInstance.instance;   
     
  
  private Singleton()    
  
     
      
 

在这一版本的单例模式实现代码中，我们使用了Java的静态内部类。这一技术是被JVM明确说明了的，因此不存在任何二义性。在这段代码中，因为SingletonClass没有static的属性，因此并不会被初始化。直到调用getInstance()的时候，会首先加载SingletonClassInstance类，这个类有一个static的SingletonClass实例，因此需要调用SingletonClass的构造方法，然后getInstance()将把这个内部类的instance返回给使用者。由于这个instance是static的，因此并不会构造多次。

由于SingletonClassInstance是私有静态内部类，所以不会被其他类知道，同样，static语义也要求不会有多个实例存在。并且，JSL规范定义，类的构造必须是原子性的，非并发的，因此不需要加同步块。同样，由于这个构造是并发的，所以getInstance()也并不需要加同步。

至此，我们完整的了解了单例模式在Java语言中的时候，提出了两种解决方案。个人偏向于第二种，并且Effiective Java也推荐的这种方式。

几个例子:

/* 
 * 单例模式管理用户 
 * */  
public class UserManager   
      
    private  static UserManager instance = new UserManager();  
      
    private UserManager()  
      
    public static UserManager getInstance()  
        return instance;  
      
  
 


/* 
   封装数据库操作 
*/  
public final class DbHelper   
  
    private static DbHelper instance = null;  
   
    public static DbHelper getInstance()   
        if (instance == null)   
            // 给类加锁 防止线程并发  
            synchronized (DbHelper.class)   
                if (instance == null)   
                    instance = new DbHelper();  
                  
              
          
        return instance;  
      
   
    private DbHelper()   
   
    // 获得连接getConnection()  
  
    // 关闭连接close()  
      
    //...