Java设计模式--单例模式

在介绍单例模式之前,我们先了解一下,什么是设计模式?
设计模式(Design Pattern):是一套被反复使用,多数人知晓的,经过分类编目的,代码设计经验的总结。
目的:使用设计模式是为了可重用性代码,让代码更容易被他人理解,保证代码可靠性。

本文将会用到的关键词:

  • 单例:Singleton
  • 实例:instance
  • 同步:synchronized
  • 类装载器:ClassLoader

单例模式:
单例,顾名思义就是只能有一个、不能再出现第二个。就如同地球上没有两片一模一样的树叶一样。

在这里就是说:一个类只能有一个实例,并且整个项目系统都能访问该实例。

单例模式共分为两大类:

  • 懒汉模式:实例在第一次使用时创建
  • 饿汉模式:实例在类装载时创建

单例模式UML图
单例模式UML图

饿汉模式

按照定义我们可以写出一个基本代码:

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public class Singleton {

// 使用private将构造方法私有化,以防外界通过该构造方法创建多个实例
private Singleton() {
}

// 由于不能使用构造方法创建实例,所以需要在类的内部创建该类的唯一实例
// 使用static修饰singleton 在外界可以通过类名调用该实例 类名.成员名
static Singleton singleton = new Singleton(); // 1

// 如果使用private封装该实例,则需要添加get方法实现对外界的开放
private static Singleton instance = new Singleton(); // 2
// 添加static,将该方法变成类所有 通过类名访问
public static Singleton getInstance(){
return instance;
}

//1和2选一种即可,推荐2
}

对于饿汉模式来说,这种写法已经很‘perfect’了,唯一的缺点就是,由于instance的初始化是在类加载时进行的,类加载是由ClassLoader来实现的,如果初始化太早,就会造成资源浪费。
当然,如果所需的单例占用的资源很少,并且也不依赖于其他数据,那么这种实现方式也是很好的。

类装载的时机:

  • new一个对象时
  • 使用反射创建它的实例时
  • 子类被加载时,如果父类还没有加载,就先加载父类
  • JVM启动时执行主类 会先被加载

懒汉模式

懒汉模式的代码如下

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// 代码一
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton(){
}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

每次获取instance之前先进行判断,如果instance为空就new一个出来,否则就直接返回已存在的instance。

这种写法在单线程的时候是没问题的。但是,当有多个线程一起工作的时候,如果有两个线程同时运行到 if (instance == null),都判断为null(第一个线程判断为空之后,并没有继续向下执行,当第二个线程判断的时候instance依然为空),最终两个线程就各自会创建一个实例出来。这样就破环了单例模式 实例的唯一性

要想保证实例的唯一性就需要使用synchronized,加上一个同步锁

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// 代码二
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}

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

加上synchronized关键字之后,getInstance方法就会锁上了。如果有两个线程(T1、T2)同时执行到这个方法时,会有其中一个线程T1获得同步锁,得以继续执行,而另一个线程T2则需要等待,当第T1执行完毕getInstance之后(完成了null判断、对象创建、获得返回值之后),T2线程才会执行执行。

所以这段代码也就避免了代码一中,可能出现因为多线程导致多个实例的情况。但是,这种写法也有一个问题:给getInstance方法加锁,虽然避免了可能会出现的多个实例问题,但是会强制除T1之外的所有线程等待,实际上会对程序的执行效率造成负面影响。

双重检查(Double-Check)

代码二相对于代码一的效率问题,其实是为了解决1%几率的问题,而使用了一个100%出现的防护盾。那有一个优化的思路,就是把100%出现的防护盾,也改为1%的几率出现,使之只出现在可能会导致多个实例出现的地方。
代码如下:

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// 代码三
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() {}

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

这段代码看起来有点复杂,注意其中有两次if(instance==null)的判断,这个叫做『双重检查 Double-Check』。

  • 第一个 if(instance==null),其实是为了解决代码二中的效率问题,只有instance为null的时候,才进入synchronized的代码段大大减少了几率。
  • 第二个if(instance==null),则是跟代码二一样,是为了防止可能出现多个实例的情况。

这段代码看起来已经完美无瑕了。当然,只是『看起来』,还是有小概率出现问题的。想要充分理解需要先弄清楚以下几个概念:原子操作、指令重排。

原子操作
简单来说,原子操作(atomic)就是不可分割的操作,在计算机中,就是指不会因为线程调度被打断的操作。比如,简单的赋值是一个原子操作:

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m = 6; // 这是个原子操作

假如m原先的值为0,那么对于这个操作,要么执行成功m变成了6,要么是没执行 m还是0,而不会出现诸如m=3这种中间态——即使是在并发的线程中。

但是,声明并赋值就不是一个原子操作:

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int  n=6;//这不是一个原子操作

对于这个语句,至少有两个操作:①声明一个变量n ②给n赋值为6——这样就会有一个中间状态:变量n已经被声明了但是还没有被赋值的状态。这样,在多线程中,由于线程执行顺序的不确定性,如果两个线程都使用m,就可能会导致不稳定的结果出现。

指令重排
简单来说,就是计算机为了提高执行效率,会做的一些优化,在不影响最终结果的情况下,可能会对一些语句的执行顺序进行调整。比如,这一段代码:

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int a ;   // 语句1 
a = 8 ; // 语句2
int b = 9 ; // 语句3
int c = a + b ; // 语句4

正常来说,对于顺序结构,执行的顺序是自上到下,也即1234。但是,由于指令重排
的原因,因为不影响最终的结果,所以,实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。

由于语句3和4没有原子性的问题,语句3和语句4也可能会拆分成原子操作,再重排。——也就是说,对于非原子性的操作,在不影响最终结果的情况下,其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。

OK,了解了原子操作和指令重排的概念之后,我们再继续看代码三的问题。

主要在于singleton = new Singleton()这句,这并非是一个原子操作,事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。
  1. 给 singleton 分配内存
  2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量,形成实例
  3. 将singleton对象指向分配的内存空间(执行完这步 singleton才是非 null了)

在JVM的即时编译器中存在指令重排序的优化。
  
也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的,最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者,则在 3 执行完毕、2 未执行之前,被线程二抢占了,这时 instance 已经是非 null 了(但却没有初始化),所以线程二会直接返回 instance,然后使用,然后顺理成章地报错。
  
再稍微解释一下,就是说,由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态,而这个时候,如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance ==null)这里,这里读取到的instance已经不为null了,所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了,就会产生问题。这里的关键在于线程T1对instance的写操作没有完成,线程T2就执行了读操作。
  
对于代码三出现的问题,解决方案为:给instance的声明加上volatile关键字
代码如下:

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public class Singleton {
private static volatile Singleton instance = null;
private Singleton() {}

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

volatile关键字的一个作用是禁止指令重排,把instance声明为volatile之后,对它的写操作就会有一个内存屏障,这样,在它的赋值完成之前,就不用会调用读操作。

注意:volatile阻止的不是singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排,而是保证了在一个写操作([1-2-3])完成之前,不会调用读操作(if (instance == null))。

其它方法

静态内部类

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public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

这种写法的巧妙之处在于:对于内部类SingletonHolder,它是一个饿汉式的单例实现,在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步,使INSTANCE是一个真单例。

同时,由于SingletonHolder是一个内部类,只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用,所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。
  
它利用了ClassLoader来保证了同步,同时又能让开发者控制类加载的时机。从内部看是一个饿汉式的单例,但是从外部看来,又的确是懒汉式的实现

枚举

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public enum SingleInstance {
INSTANCE;
public void fun1() {
// do something
}
}// 使用SingleInstance.INSTANCE.fun1();

是不是很简单?而且因为自动序列化机制,保证了线程的绝对安全。三个词概括该方式:简单、高效、安全

这种写法在功能上与共有域方法相近,但是它更简洁,无偿地提供了序列化机制,绝对防止对此实例化,即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这中方法还没有广泛采用,但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

关于单例模式的视频讲解 密码:lt0t
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