23种设计模式-创建模式-单例模式

Posted 2021-04-25 两个菜鸟程序猿

引自：动力节点--23种设计模式

单例模式(Singleton)

单例对象(Singleton)是一种常用的设计模式。在 Java 应用中，单例对象能保证在一个 JVM 中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处:

1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

2、省去了 new 操作符，降低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，如果该类可以创建多个的话，系统完 全乱了。 (比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团)，所以只有使用单例 模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类:

public class Singleton { /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为 null，目的是实现延迟加载 */    private static Singleton instance = null; /* 私有构造方法，防止被实例化 */ private Singleton() {    } /* 静态工程方法，创建实例 */ public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance;    } /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */ public Object readResolve() { return instance; }}

这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的 环境下，肯定就会出现问题了，如何解决?我们首先会想到对 getInstance 方法加 synchronized 关键字，如下:

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

但是，synchronized 关键字锁住的是这个对象，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，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个:

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

似乎解决了之前提到的问题，将 synchronized 关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是 不需要加锁的，只有在 instance为 null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况: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。但是 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 线程同时进入了第一个 if 判断

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 没有开始初始化这个实例)，然后 A 离开了 synchronized 块。

d>B 进入 synchronized 块，由于 instance 此时不是 null，因此它马上离开了 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，于是错误发生了。所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，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:

private static class SingletonFactory { private static Singleton instance = new Singleton();}
public static Singleton getInstance() { return SingletonFactory.instance;}

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 加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM 能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式:

public class Singleton { /* 私有构造方法，防止被实例化 */ private Singleton() {    } /* 此处使用一个内部类来维护单例 */ private static class SingletonFactory { private static Singleton instance = new Singleton();    } /* 获取实例 */ public static Singleton getInstance() { return SingletonFactory.instance;    } /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */    public Object readResolve() { return getInstance(); }}

 其实说它完美，也不一定，如果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，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现 方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和 getInstance()分开，单独为创建加 synchronized 关键字，也是可以的:

public class SingletonTest { private static SingletonTest instance = null;
 private SingletonTest() {    } private static synchronized void syncInit() { if (instance == null) { instance = new SingletonTest(); }    } public static SingletonTest getInstance() { if (instance == null) { syncInit(); } return instance; }}

 考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。  补充:采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

public class SingletonTest {
 private static SingletonTest instance = null; private Vector properties = null;
 public Vector getProperties() { return properties; }
 private SingletonTest() { }
 private static synchronized void syncInit() { if (instance == null) { instance = new SingletonTest(); } }
 public static SingletonTest getInstance() { if (instance == null) { syncInit(); } return instance; }
 public void updateProperties() { SingletonTest shadow = new SingletonTest(); properties = shadow.getProperties(); }}

 通过单例模式的学习告诉我们: 

1、单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。

2、synchronized 关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用(注意需要使 用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁)。到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方 法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同? 首先，静态类不能实现接口。(从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口 中不允许有 static 修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的) 其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。 之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。 再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。 但是静态类内部方法都是 static，无法被覆写。

最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的 Java 类，只要满足单例的基本需 求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本 可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们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，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思 想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像 HashMap 采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是， 结合各个方法的优点，才能最好的解决问题!！

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