为了账号安全,请及时绑定邮箱和手机立即绑定

02.创建型:单例设计模式2

创建型:单例设计模式2

目录介绍

  • 01.如何实现一个单例
  • 02.饿汉式实现方式
  • 03.懒汉式实现方式
  • 04.双重DCL校验模式
  • 05.静态内部类方式
  • 06.枚举方式单例
  • 07.容器实现单例模式

01.如何实现一个单例

  • 介绍如何实现一个单例模式的文章已经有很多了,但为了保证内容的完整性,这里还是简单介绍一下几种经典实现方式。概括起来,要实现一个单例,我们需要关注的点无外乎下面几个:
    • 构造函数需要是 private 访问权限的,这样才能避免外部通过 new 创建实例;
    • 考虑对象创建时的线程安全问题;
    • 考虑是否支持延迟加载;
    • 考虑 getInstance() 性能是否高(是否加锁)。

02.饿汉式实现方式

  • 饿汉式的实现方式比较简单。在类加载的时候,instance 静态实例就已经创建并初始化好了,所以,instance 实例的创建过程是线程安全的。不过,这样的实现方式不支持延迟加载,从名字中我们也可以看出这一点。具体的代码实现如下所示:
    //饿汉式单例类.在类初始化时,已经自行实例化   
    public class Singleton { 
        //static修饰的静态变量在内存中一旦创建,便永久存在
        private static Singleton instance = new Singleton(); 
        private Singleton (){} 
        public static Singleton getInstance() { 
            return instance; 
        } 
    }
    
  • 代码分析
    • 饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用,以后不再改变,所以天生是线程安全的。其中 instance = new Singleton()可以写成:
    static { 
        instance = new Singleton(); 
    }
    
  • 有人觉得这种实现方式不好
    • 因为不支持延迟加载,如果实例占用资源多(比如占用内存多)或初始化耗时长(比如需要加载各种配置文件),提前初始化实例是一种浪费资源的行为。最好的方法应该在用到的时候再去初始化。
    • 不过,我个人并不认同这样的观点。如果初始化耗时长,那我们最好不要等到真正要用它的时候,才去执行这个耗时长的初始化过程,这会影响到系统的性能(比如,在响应客户端接口请求的时候,做这个初始化操作,会导致此请求的响应时间变长,甚至超时)。采用饿汉式实现方式,将耗时的初始化操作,提前到程序启动的时候完成,这样就能避免在程序运行的时候,再去初始化导致的性能问题。
    • 如果实例占用资源多,按照 fail-fast 的设计原则(有问题及早暴露),那我们也希望在程序启动时就将这个实例初始化好。如果资源不够,就会在程序启动的时候触发报错(比如 Java 中的 PermGen Space OOM),我们可以立即去修复。这样也能避免在程序运行一段时间后,突然因为初始化这个实例占用资源过多,导致系统崩溃,影响系统的可用性。

03.懒汉式实现方式

  • 有饿汉式,对应地,就有懒汉式。懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载。具体的代码实现如下所示:
    //懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己  
    public class Singleton { 
        //私有的构造函数
        private Singleton() {}
        //私有的静态变量
        private static Singleton single=null; 
        //暴露的公有静态方法 
        public static Singleton getInstance() { 
            if (single == null) {   
                single = new Singleton(); 
            }   
            return single; 
        } 
    }
    
    • 代码分析
      • 懒汉式(线程不安全)的单例模式分为三个部分:私有的构造方法,私有的全局静态变量,公有的静态方法。
      • 起到重要作用的是静态修饰符static关键字,我们知道在程序中,任何变量或者代码都是在编译时由系统自动分配内存来存储的,而所谓静态就是指在编译后所分配的内存会一直存在,直到程序退出内存才会释放这个空间,因此也就保证了单例类的实例一旦创建,便不会被系统回收,除非手动设置为null。
    • 优缺点
      • 优点:延迟加载(需要的时候才去加载)
      • 缺点:线程不安全,在多线程中很容易出现不同步的情况,如在数据库对象进行的频繁读写操作时。
  • 上面这个可以看到是线程不安全的,其实还可以演变一下:
    public class Singleton { 
        //私有的静态变量
        private static Singleton instance; 
        //私有的构造方法
        private Singleton (){}//公有的同步静态方法
        public static synchronized Singleton getInstance() { 
            if (instance == null) { 
                instance = new Singleton(); 
            } 
            return instance; 
        } 
    } 
    
    • 代码分析
      • 这种单例实现方式的getInstance()方法中添加了synchronized 关键字,也就是告诉Java(JVM)getInstance是一个同步方法。
      • 同步的意思是当两个并发线程访问同一个类中的这个synchronized同步方法时,一个时间内只能有一个线程得到执行,另一个线程必须等待当前线程执行完才能执行,因此同步方法使得线程安全,保证了单例只有唯一个实例。
    • 优缺点
      • 优点:解决了线程不安全的问题。
      • 缺点:效率有点低,每次调用实例都要判断同步锁,它的缺点在于每次调用getInstance()都进行同步,造成了不必要的同步开销。这种模式一般不建议使用。
  • 不过懒汉式的缺点也很明显
    • 给 getInstance() 这个方法加了一把大锁(synchronzed),导致这个函数的并发度很低。量化一下的话,并发度是 1,也就相当于串行操作了。而这个函数是在单例使用期间,一直会被调用。如果这个单例类偶尔会被用到,那这种实现方式还可以接受。但是,如果频繁地用到,那频繁加锁、释放锁及并发度低等问题,会导致性能瓶颈,这种实现方式就不可取了。

04.双重DCL校验模式

  • 饿汉式不支持延迟加载,懒汉式有性能问题,不支持高并发。那我们再来看一种既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式,也就是双重检测实现方式。
  • 在这种实现方式中,只要 instance 被创建之后,即便再调用 getInstance() 函数也不会再进入到加锁逻辑中了。所以,这种实现方式解决了懒汉式并发度低的问题。具体的代码实现如下所示:
    public class Singleton {
        private static Singleton singleton;  //静态变量
        private Singleton (){}  //私有构造函数
        public static Singleton getInstance() {
            if (singleton == null) {  //第一层校验
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (singleton == null) {  //第二层校验
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }
    }
    
  • 代码分析
    • 这种模式的亮点在于getInstance()方法上,其中对singleton 进行了两次判断是否空,第一层判断是为了避免不必要的同步,第二层的判断是为了在null的情况下才创建实例。
  • 优缺点
    • 优点:在并发量不多,安全性不高的情况下或许能很完美运行单例模式
    • 缺点:不同平台编译过程中可能会存在严重安全隐患。
  • 模拟分析
    • 假设线程A执行到了singleton = new Singleton(); 语句,这里看起来是一句代码,但是它并不是一个原子操作,这句代码最终会被编译成多条汇编指令,它大致会做三件事情:
      • (a)给Singleton的实例分配内存
      • (b)调用Singleton()的构造函数,初始化成员字段;
      • (c)将singleton对象指向分配的内存空间(即singleton不为空了);
    • 但是由于Java编译器允许处理器乱序执行,以及在jdk1.5之前,JMM(Java Memory Model:java内存模型)中Cache、寄存器、到主内存的回写顺序规定,上面的步骤b 步骤c的执行顺序是不保证了。也就是说执行顺序可能是a-b-c,也可能是a-c-b,如果是后者的指向顺序,并且恰恰在c执行完毕,b尚未执行时,被切换到线程B中,这时候因为singleton在线程A中执行了步骤c了,已经非空了,所以,线程B直接就取走了singleton,再使用时就会出错。这就是DCL失效问题。
    • 但是在JDK1.5之后,官方给出了volatile关键字,将singleton定义的代码改成:private volatile static Singleton singleton; //使用volatile 关键字
  • 网上有人说,这种实现方式有些问题。
    • 因为指令重排序,可能会导致 singleton 对象被 new 出来,并且赋值给 instance 之后,还没来得及初始化(执行构造函数中的代码逻辑),就被另一个线程使用了。要解决这个问题,我们需要给 instance 成员变量加上 volatile 关键字,禁止指令重排序才行。实际上,只有很低版本的 Java 才会有这个问题。我们现在用的高版本的 Java 已经在 JDK 内部实现中解决了这个问题(解决的方法很简单,只要把对象 new 操作和初始化操作设计为原子操作,就自然能禁止重排序)。

05.静态内部类方式

  • 再来看一种比双重检测更加简单的实现方法,那就是利用 Java 的静态内部类。它有点类似饿汉式,但又能做到了延迟加载。
    public class Singleton {
        private Singleton (){} ;//私有的构造函数
        public static final Singleton getInstance() {
            return SingletonHolder.INSTANCE;
        }
        //定义的静态内部类
        private static class SingletonHolder {
            private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  //创建实例的地方
        }
    }
    
  • 优缺点
    • 优点:延迟加载,线程安全(java中class加载时互斥的),也减少了内存消耗
  • 代码分析
    • 当第一次加载Singleton 类的时候并不会初始化INSTANCE ,只有第一次调用Singleton 的getInstance()方法时才会导致INSTANCE 被初始化。
    • 因此,第一次调用getInstance()方法会导致虚拟机加载SingletonHolder 类,这种方式不仅能够确保单例对象的唯一性,同时也延迟了单例的实例化。

06.枚举方式单例

  • 介绍一种最简单的实现方式,基于枚举类型的单例实现。这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性,保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。具体的代码如下所示:
    public enum Singleton {  //enum枚举类
        INSTANCE; 
        public void whateverMethod() { 
    
        } 
    }
    
  • 代码分析
    • 枚举单例模式最大的优点就是写法简单,枚举在java中与普通的类是一样的,不仅能够有字段,还能够有自己的方法,最重要的是默认枚举实例是线程安全的,并且在任何情况下,它都是一个单例。即使是在反序列化的过程,枚举单例也不会重新生成新的实例。而其他几种方式,必须加入如下方法:才能保证反序列化时不会生成新的对象。
    private Object readResolve()  throws ObjectStreamException{
        return INSTANCE;
    }
    

07.容器实现单例模式

  • 这一种比较少见,直接上代码,如下所示:
    public class SingletonManager {
      private static Map<String, Object> objMap = new HashMap<String,Object>();//使用HashMap作为缓存容器
        private Singleton() {
      }
      public static void registerService(String key, Object instance) {
        if (!objMap.containsKey(key) ) {
          objMap.put(key, instance) ;//第一次是存入Map
        }
      }
      public static ObjectgetService(String key) {
        return objMap.get(key) ;//返回与key相对应的对象
      }
    }
    
  • 代码分析
    • 在程序的初始,将多种单例模式注入到一个统一的管理类中,在使用时根据key获取对应类型的对象。

5.单例模式总结

  • 总结:不管以哪种形式实现单例模式,它们的核心原理是将构造函数私有化,并且通过静态公有方法获取一个唯一的实例,在这个获取的过程中必须保证线程的安全,同时也要防止反序列化导致重新生成实例对象。
  • 一般来说,单例模式有五种写法:懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。上述所说都是线程安全的实现,上文中第一种方式线程不安全,排除。
  • 综合考虑:
    • 推荐使用4.4 DCL双重校验模式,4.5 静态内部类单例模式等等
    • 一般情况下直接使用饿汉式就好了,如果明确要求要懒加载(lazy initialization)倾向于使用静态内部类。如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。
  • 单例对象如果持有Context,那么很容易引发内存泄漏,此时要注意传递给单例对象的Context最好是Application Context
点击查看更多内容
TA 点赞

若觉得本文不错,就分享一下吧!

评论

作者其他优质文章

正在加载中
  • 推荐
  • 评论
  • 收藏
  • 共同学习,写下你的评论
感谢您的支持,我会继续努力的~
扫码打赏,你说多少就多少
赞赏金额会直接到老师账户
支付方式
打开微信扫一扫,即可进行扫码打赏哦
今天注册有机会得

100积分直接送

付费专栏免费学

大额优惠券免费领

立即参与 放弃机会
意见反馈 帮助中心 APP下载
官方微信

举报

0/150
提交
取消