Java设计模式之单例模式

Posted 2022-02-08 lixin-link

单例模式

??单例模式是23中设计模式中比较简单的一种，其核心思想是一个类只有一个实例，该类自己创建这一唯一实例并提供该实例的全局访问方法。

单例模式的应用场景

在说单例模式之前，来想象几个场景：

在我们的windows桌面上，我们打开了一个回收站，当我们试图再次打开一个新的回收站时，Windows系统并不会为你弹出一个新的回收站窗口。，也就是说在整个系统运行的过程中，系统只维护一个回收站的实例。这就是一个典型的单例模式运用。（任务管理器也是一样哦）

我们在实际使用中并不存在需要同时打开两个回收站窗口的必要性。假如我每次创建回收站时都需要消耗大量的资源，而每个回收站之间资源是共享的，那么在没有必要多次重复创建该实例的情况下，创建了多个实例，这样做就会给系统造成不必要的负担，造成资源浪费。（数据库连接池和线程池也比较类似）

网站计数器，如果有多个网站计数器，会造成数据难以同步，因此也采用单例模式（应用程序的日志应用，一般也采用单例，这样可以很方便地进行数据追加）
参考

通过这几个应用场景不难看出单例模式的合适应用范围：

1. 需要生成唯一序列的环境
2. 需要频繁实例化然后销毁的对象。
3. 创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象。
4. 方便资源相互通信的环境

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饿汉式单例

public class EagerSingleton 
    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
    /**
     * 私有默认构造方法
     */
    private EagerSingleton()
    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static EagerSingleton getInstance()
        return instance;
    

??在上例中，在这个类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造方法就会被调用。这是一种典型的空间换时间，管你需不需要，先创建出来再说，调用的时候就可以了直接调用，节省了时间。

懒汉式单例

public class LazySingleton 
    private static LazySingleton instance = null;
    /**
     * 私有默认构造方法
     */
    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里对静态工厂方法使用了同步化，以处理多线程环境。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。
??这种方式虽然线程安全，但是每次调用都会加锁开锁，效率较低因此可是继续优化。

双重检查锁

??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的原因：
首先需要知道volatile关键字的作用：

1. 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的；
2. 能禁止指令重排序，保证代码的有序性；

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在并发编程中有三个重要的概念：原子性，可见性，有序性。
（参考此博文）
原子性
原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

??一个很经典的例子就是银行账户转账问题：
??比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。
??试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止。然后又从B取出了500元，取出500元之后，再执行 往账户B加上1000元 的操作。这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元。
??所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。
??同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢？
??举个最简单的例子，大家想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话，会发生什么后果？
i = 9;
??假若一个线程执行到这个语句时，我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。
??那么就可能发生一种情况：当将低16位数值写入之后，突然被中断，而此时又有一个线程去读取i的值，那么读取到的就是错误的数据。

可见性
??可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
??举个简单的例子，看下面这段代码：

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
 
//线程2执行的代码
j = i;

??假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。
??此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10。
??这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

有序性
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子，看下面这段代码：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

??上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，为什么呢？这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。
??下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
??比如上面的代码中，语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响，那么就有可能在执行过程中，语句2先执行而语句1后执行。
??但是要注意，虽然处理器会对指令进行重排序，但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，那么它靠什么保证的呢？再看下面一个例子：

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a*a;     //语句4

??这段代码有4个语句，那么可能的一个执行顺序是：语句2 -> 语句1 -> 语句3 -> 语句4。
??那么可不可能是这个执行顺序呢： 语句2 -> 语句1 -> 语句4 -> 语句3 呢？
??不可能，因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性，如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果，那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。
??虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果，但是多线程呢？下面看一个例子：

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited )
  sleep()

doSomethingwithconfig(context);

??上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此是线程2会以为初始化工作已经完成，那么就会跳出while循环，去执行doSomethingwithconfig(context)方法，而此时context并没有被初始化，就会导致程序出错。
??从上面可以看出，指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。
??也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

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扯远了，优化的双重检查锁可以这么写：

public class Singleton 
    //使用volatile修饰
    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。
??由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高。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，既能实现延迟加载，又能实现线程安全呢？

Lazy 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，很巧妙地同时实现了延迟加载和线程安全。
相应的基础知识：

• 什么是类级内部类？
  ??简单点说，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间不存在依赖关系，因此可直接创建。而对象级内部类的实例，是绑定在外部对象实例中的。
  ??类级内部类中，可以定义静态的方法。在静态方法中只能够引用外部类中的静态成员方法或者成员变量。
  ??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被会装载。

• 多线程缺省同步锁的知识
  ??在多线程开发中，为了解决并发问题，主要是通过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。但是在某些情况中，JVM已经隐含地为您执行了同步，这些情况下就不用自己再来进行同步控制了。这些情况包括：
  1. 由静态初始化器（在静态字段上或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

解决方案的思路:
??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来保证线程的安全性。比如前面的饿汉式实现方式。但是这样一来，不是会浪费一定的空间吗？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够让类装载的时候不去初始化对象，那不就解决问题了？一种可行的方式就是采用类级内部类，在这个类级内部类里面去创建对象实例。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。
??示例代码如下：

public class Singleton 
    private Singleton()
    /**
     *    类级的内部类，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，而且只有被调用到时才会装载，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方法第一次被调用的时候，它第一次读取SingletonHolder.instance，导致SingletonHolder类得到初始化；而这个类在装载并被初始化的时候，会初始化它的静态域，从而创建Singleton的实例，由于是静态的域，因此只会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

??按照《高效Java 第二版》中的说法：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。

public enum Singleton 
    /**
     * 定义一个枚举的元素，它就代表了Singleton的一个实例。
     */
    uniqueInstance;
    
    /**
     * 单例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation()
        //功能处理
    

??使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且无偿地提供了序列化机制，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。

小结

为什么说枚举模式的单例才是最好的呢？

1. 书写简单，仅仅几行代码就能实现单例模式。
2. 枚举类能防止利用反射方式获取枚举对象,进而破坏单例模式。
3. 枚举类能防止使用序列化与反序列化获取新的枚举对象，进而破坏单例模式

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参考链接