java设计模式学习 ----- 单例模式（Singleton）

Posted 2020-09-21 gavanwanggw

单例模式（Singleton）

单例对象（Singleton）是一种经常使用的设计模式。

在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象仅仅有一个实例存在。单例模式也分三种：懒汉式单例、饿汉式单例、登记式单例。

单例模式有几个长处：

• 1、某些类创建比較频繁，对于一些大型的对象，这是一笔非常大的系统开销。
• 2、省去了new操作符，减少了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
• 3、有些类如交易所的核心交易引擎。控制着交易流程，假设该类能够创建多个的话，系统全然乱了。（比方一个军队出现了多个司令员同一时候指挥，肯定会乱成一团），所以仅仅有使用单例模式，才干保证核心交易server独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类（懒汉式）：

[java] view plaincopy

1. public class Singleton {  
2.   
3.     /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟载入 */  
4.     private static Singleton instance = null;  
5.   
6.     /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
7.     private Singleton() {  
8.     }  
9.   
10.     /* 静态project方法。创建实例 */  
11.     public static Singleton getInstance() {  
12.         if (instance == null) {  
13.             instance = new Singleton();  
14.         }  
15.         return instance;  
16.     }  
17.   
18.     /* 假设该对象被用于序列化。能够保证对象在序列化前后保持一致 */  
19.     public Object readResolve() {  
20.         return instance;  
21.     }  
22. }  

这个类能够满足基本要求，可是。像这样毫无线程安全保护的类。假设我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现故障了，怎样解决？我们首先会想到对getInstance方法加 synchronized keyword，例如以下：

[java] view plaincopy

1. public static synchronized Singleton getInstance() {  
2.         if (instance == null) {  
3.             instance = new Singleton();  
4.         }  
5.         return instance;  
6.     }  

可是。synchronizedkeyword锁住的是这个对象，这种使用方法，在性能上会有所下降，由于每次调用getInstance()，都要对对象上锁。事实上，仅仅有在第一次创建对象的时候须要加锁，之后就不须要了，所以，这个地方须要改进。

我们改成以下这个：

[java] view plaincopy

1. public static Singleton getInstance() {  
2.         if (instance == null) {  
3.             synchronized (instance) {  
4.                 if (instance == null) {  
5.                     instance = new Singleton();  
6.                 }  
7.             }  
8.         }  
9.         return instance;  
10.     }  

似乎攻克了之前提到的问题，将synchronizedkeyword加在了内部。也就是说当调用的时候是不须要加锁的，仅仅有在instance为null，并创建对象的时候才须要加锁，性能有一定的提升。可是。这种情况，还是有可能有问题的，看以下的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的。也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。

可是JVM并不保证这两个操作的先后顺序。也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了。我们以A、B两个线程为例：

a）A、B线程同一时候进入了第一个if推断

b）A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行 instance = new Singleton();

c）由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有開始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

d）B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它立即离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

e）此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是发生错误了。

所以程序还是有可能发生错误，事实上程序在执行过程是非常复杂的，从这点我们就能够看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度。有挑战性。

我们对该程序做进一步优化（饿汉式）：

[java] view plaincopy

1. private static class SingletonFactory{           
2.         private static Singleton instance = new Singleton();           
3.     }           
4.     public static Singleton getInstance(){           
5.         return SingletonFactory.instance;           
6.     }   

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被载入的时候。这个类的载入过程是线程相互排斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance仅仅被创建一次。并且会保证把赋值给instance的内存初始化完成。这样我们就不用操心上面的问题。

同一时候该方法也仅仅会在第一次调用的时候使用相互排斥机制，这样就攻克了低性能问题。

这样我们临时总结一个完美的单例模式：

[java] view plaincopy

1. public class Singleton {  
2.   
3.     /* 私有构造方法。防止被实例化 */  
4.     private Singleton() {  
5.     }  
6.   
7.     /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
8.     private static class SingletonFactory {  
9.         private static Singleton instance = new Singleton();  
10.     }  
11.   
12.     /* 获取实例 */  
13.     public static Singleton getInstance() {  
14.         return SingletonFactory.instance;  
15.     }  
16.   
17.     /* 假设该对象被用于序列化，能够保证对象在序列化前后保持一致 */  
18.     public Object readResolve() {  
19.         return getInstance();  
20.     }  
21. }  

事实上说它完美也不一定，假设在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。

所以说，十分完美的东西是没有的，我们仅仅能依据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。

也有人这样实现：由于我们仅仅须要在创建类的时候进行同步，所以仅仅要将创建和getInstance()分开。单独为创建加synchronizedkeyword，也是能够的：

[java] view plaincopy

1. public class SingletonTest {  
2.   
3.     private static SingletonTest instance = null;  
4.   
5.     private SingletonTest() {  
6.     }  
7.   
8.     private static synchronized void syncInit() {  
9.         if (instance == null) {  
10.             instance = new SingletonTest();  
11.         }  
12.     }  
13.   
14.     public static SingletonTest getInstance() {  
15.         if (instance == null) {  
16.             syncInit();  
17.         }  
18.         return instance;  
19.     }  
20. }  

考虑性能的话，整个程序仅仅需创建一次实例。所以性能也不会有什么影响。

补充：採用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

[java] view plaincopy

1. public class SingletonTest {  
2.   
3.     private static SingletonTest instance = null;  
4.     private Vector properties = null;  
5.   
6.     public Vector getProperties() {  
7.         return properties;  
8.     }  
9.   
10.     private SingletonTest() {  
11.     }  
12.   
13.     private static synchronized void syncInit() {  
14.         if (instance == null) {  
15.             instance = new SingletonTest();  
16.         }  
17.     }  
18.   
19.     public static SingletonTest getInstance() {  
20.         if (instance == null) {  
21.             syncInit();  
22.         }  
23.         return instance;  
24.     }  
25.   
26.     public void updateProperties() {  
27.         SingletonTest shadow = new SingletonTest();  
28.         properties = shadow.getProperties();  
29.     }  
30. }  

通过单例模式的学习告诉我们：

1、单例模式理解起来简单，可是详细实现起来还是有一定的难度。

2、synchronizedkeyword锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意须要使用锁的对象和过程，可能有的时候并非整个对象及整个过程都须要锁）。

到此，单例模式基本就介绍完了，事实上採用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的。此处二者有何不同呢？

• 首先。静态类不能实现接口。

  （从类的角度说是能够的。可是那样就破坏了静态了。

  由于接口中不同意有static修饰的方法。所以即使实现了也是非静态的）

• 其次。单例能够被延迟初始化，静态类一般在第一次载入是初始化。

  之所以延迟载入。是由于有些类比較庞大，所以延迟载入有助于提升性能。

• 再次，单例类能够被继承。他的方法能够被覆写。

  可是静态类内部方法都是static。无法被覆写。

• 最后，单例类比較灵活，毕竟从实现上仅仅是一个普通的Java类，仅仅要满足单例的基本需求。你能够在里面随心所欲的实现一些其他功能，可是静态类不行。

从上面这些概括中，基本能够看出二者的差别，可是，从还有一方面讲，上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有非常大的关联。仅仅是我们考虑问题的层面不同罢了。

两种思想的结合，才干造就出完美的解决方式，就像HashMap採用数组+链表来实现一样。事实上生活中非常多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有长处也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的长处，才干最好的解决这个问题。

拓展：

什么是线程安全？假设你的代码所在的进程中有多个线程在同一时候执行，而这些线程可能会同一时候执行这段代码。假设每次执行结果和单线程执行的结果是一样的，并且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作。或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题。那就是线程安全的。