设计模式 创建者模式 -- 创建者模式概述 & 单例设计模式的介绍和实现(饿汉式 & 懒汉式)

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了设计模式 创建者模式 -- 创建者模式概述 & 单例设计模式的介绍和实现(饿汉式 & 懒汉式)相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

1. 创建者模式概述

创建型模式的主要关注点是“怎样创建对象?”,它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。这样可以降低系统的耦合度,使用者不需要关注对象的创建细节。

创建型模式分为:

  • 简单工厂模式
  • 单例模式
  • 工厂方法模式
  • 抽象工厂模式
  • 原型模式
  • 建造者模式

2. 单例设计模式


2.1 单例模式概述

  • 单例模式(Singleton Pattern)是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式,它提供了一种创建对象的最佳方式。
  • 这种模式涉及到一个单一的类,该类负责创建自己的对象,同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式,可以直接访问,不需要实例化该类的对象。

2.1 单例模式的优点

  • 单例模式保证java应用程序中,一个类Class只有一个实例在,使用单例模式好处在于可以节省内存,节约资源,对于一般频繁创建和销毁对象的可以使用单例模式
  • 因为它限制了实例的个数,有利于java垃圾回收。好的单例模式也能提高性能。例如:数据库连接池、httpclient连接单例
  • 对于系统中的某些类来说,只有一个实例很重要,Windows中就只能打开一个任务管理器,如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢?定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问,但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建,并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

3. 单例模式的实现(饿汉式 & 懒汉式)

单例设计模式分类两种

  • 饿汉式:类加载就会导致该单实例对象被创建
  • 懒汉式:类加载不会导致该单实例对象被创建,而是首次使用该对象时才会创建

3.1 饿汉式-方式1(静态变量方式)

public class Singleton {
    // 1. 私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    // 2. 在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 3. 对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

说明:

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量,并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话,而一直没有使用就会造成内存的浪费。


3.2 饿汉式-方式2(静态代码块方式)

public class Singleton {
    // 1. 私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    // 2. 在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;// null

    // 3. 在静态代码块中进行赋值
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    // 4. 对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

说明:

该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量,而对象的创建是在静态代码块中,也是对着类的加载而创建。所以和饿汉式的方式1基本上一样,当然该方式也存在内存浪费问题。


3.3 懒汉式-方式1(线程不安全)

public class Singleton {
    // 1. 私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    // 2. 在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;// null

    // 3. 对外提供静态方法获取该对象
    public static Singleton getInstance() {
        //判断instance是否为null,如果为null,说明还没有创建Singleton类的对象
        //如果没有,创建一个并返回,如果有,直接返回
        if (instance == null) {
            // 线程1等待,线程2获取到cpu的执行权(时间片),也会进入到该判断里面
            // 出现这种情况就会创建2个实例, 违反了单例原则
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

说明:

从上面代码我们可以看出该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量,并没有进行对象的赋值操作,那么什么时候赋值的呢?当调用getInstance()方法获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象,这样就实现了懒加载的效果。但是,如果是多线程环境,会出现
线程安全问题。


3.4 懒汉式-方式2(线程安全)

public class Singleton {
    // 1. 私有构造方法
    private Singleton() {
    }

    // 2. 在成员位置创建该类的对象
    private static Singleton instance;// null

    // 3. 对外提供静态方法获取该对象
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        /*
        加上synchronized锁, 因为该方法是静态方法, 所以锁的是该类的class对象,
        在多个线程访问的情况下,不满足临界区的竞态条件.
         */
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

说明:

该方式也实现了懒加载效果,同时又解决了线程安全问题。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字,导致该方法的执行效果特别低。从上面代码我们可以看出,其实就是在初始化instance的时候才会出现线程安全问题,一旦初始化完成就不存在了。


3.5 懒汉式-方式3(双重检查锁)

再来讨论一下懒汉模式中加锁的问题,对于 getInstance() 方法来说,绝大部分的操作都是读操作,读操作是线程安全的,所以我们没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法,我们需要调整加锁的时机。由此也产生了一种新的实现模式:双重检查锁模式

public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //声明Singleton类型的变量
    private static Singleton instance;

    //对外提供公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        //第一次判断,如果instance的值不为null,不需要抢占锁,直接返回对象
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                //第二次判断
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
  • 双重检查锁模式是一种非常好的单例实现模式,解决了单例、性能、线程安全问题,上面的双重检测锁模式看上去完美无缺,其实是存在问题,在多线程的情况下,可能会出现空指针问题,出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。
  • 要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题,只需要使用 volatile 关键字,volatile 关键字可以保证可见性和有序性。

代码优化:(防止指令重排)

public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //声明Singleton类型的变量
    private static volatile Singleton instance;

    //对外提供公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        //第一次判断,如果instance的值不为null,不需要抢占锁,直接返回对象
        if(instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                //第二次判断
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }

        return instance;
    }
}

小结:

添加 volatile 关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例实现模式,能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题。

补充:

不懂volatile 的可以参考我之前的博客 这是JUC相关的知识
00: JUC并发编程 – 有序性(指令重排序优化 & 支持流水线的处理器 & 指令重排序的问题/验证/禁用)
01: JUC并发编程 原理之 volatile – 保证可见性 & 保证有序性 & 习题 balking模式
02: JUC并发编程 原理之 volatile – double-checked locking(简介 & 问题分析 & 问题解决)


3.6 懒汉式-方式4(静态内部类方式)

静态内部类单例模式中实例由内部类创建,由于 JVM 在加载外部类的过程中, 是不会加载静态内部类的, 只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载, 并初始化其静态属性。静态属性由于被static 修饰,保证只被实例化一次,并且严格保证实例化顺序。

public class Singleton {

    //私有构造方法
    private Singleton() {}

    //定义一个静态内部类
    private static class SingletonHolder {
        //在内部类中声明并初始化外部类的对象
        //final关键字修饰对象是对象的地址不可变,里面成员变量的值是可以更改的
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    //提供公共的访问方式
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

说明:

第一次加载Singleton类时不会去初始化INSTANCE,只有第一次调用getInstance,虚拟机加载SingletonHolder并初始化INSTANCE,这样不仅能确保线程安全,也能保证 Singleton 类的唯一性。

小结:

静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式,是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有加任何锁的情况下,保证了多线程下的安全,并且没有任何性能影响和空间的浪费。


3.7 枚举方式

枚举类

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

测试类

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        Singleton instance1 = Singleton.INSTANCE;

        System.out.println(instance == instance1);
    }
}

运行结果:

补充 不懂枚举类的可以参考我之前的博客:

01: Java–枚举类型(枚举类型介绍 & 定义枚举类型 & 枚举类型的使用 & 枚举类型的注意事项 & 遍历枚举项)

02: Java–枚举类型(枚举类型实现接口 & 枚举类型之间的比较 & 枚举类型用于switch语句)



以上是关于设计模式 创建者模式 -- 创建者模式概述 & 单例设计模式的介绍和实现(饿汉式 & 懒汉式)的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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JAVA私房菜专栏之设计模式

设计模式——GoF 23种设计模式概述

设计模式之6个创建模式

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