单例模式确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个应用提供这个实例。在阎宏博士的《java与模式》中将单例模式分为三种:饿汉式单例、懒汉式单例、登记式单例。
● 饿汉式单例package cn.nevo.singleton;/** * 饿汉式单例 * @author Administrator * */public class Singleton { //类被加载时,静态的singleton会被初始化,私有的构造器被调用,单实例被创建 private static final Singleton singleton = new Singleton(); //私有的构造器,保证不能在外部直接被实例化,也不能被继承 private Singleton() {} public static Singleton getSingleton() { return singleton; }}
package cn.nevo.singleton;/** * 懒汉式单例 * @author Administrator * */public class LazySingleton { //私有构造器保证不能被外部直接实例化,同样也不能被继承 private LazySingleton() {} private static LazySingleton singleton = null; //第一次引用时将自己实例化 public static LazySingleton getSingleton() { if(singleton == null) { singleton = new LazySingleton(); } return singleton; }}
上述的懒汉式单例在单线程环境下没有问题,要是多线程呢? 假设两个线程a,b都要使用LazySingleton,线程a调用getSingleton(),第一次判断singleton为空,此时cpu时间片切换,线程b执行,调用getSingleton(),由于线程a还没有创建LazySingleton实例,此时singleton同样为空,线程b创建实例并返回;线程a此时继续执行,接着前面为空的判断同样创建LazySingleton实例并返回,这样线程a,b就各持有一个LazySingleton的实例,单例模式被破坏,如:
public class SingletonTest { public static void main(String[] args) { //cn.nevo.pattern.singleton.Singleton@1bc4459 //cn.nevo.pattern.singleton.Singleton@12b6651 new Thread(new ThreadA()).start(); new Thread(new ThreadB()).start(); }}class Singleton { private Singleton() {} private static Singleton singleton = null; public static Singleton getSingleton() { if(singleton == null) { try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } singleton = new Singleton(); } return singleton; }}class ThreadA implements Runnable{ public void run() { System.out.println(Singleton.getSingleton()); }}class ThreadB implements Runnable{ public void run() { System.out.println(Singleton.getSingleton()); }}
线程安全的做法是使用synchronize关键字给getSingleton()方法加锁,确保在某一时刻只能有一个线程可以访问这个方法。
package cn.nevo.singleton;/** * 线程安全的懒汉式单例模式, 影响性能 * @author Administrator * */public class LazySingletonSyn { private LazySingletonSyn() {} private static LazySingletonSyn singleton = null; public synchronized static LazySingletonSyn getSingleton() { if(singleton == null) { singleton = new LazySingletonSyn(); } return singleton; }}
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 synchronized修饰的同步块比一般的代码段是要慢的!如果存在很多次getInstance()的调用,那性能问题就不得不考虑了!对LazySingletonSyn类来说,只有在第一次执行getInstance()方法时,才需要对方法进行加锁同步,因为对singleton变量设置好值后,以后的每次访问singleton不再为null,也就不再有多线程问题,就不再需要同步这个方法了。之后每次调用这个方法,同步反而成了一种累赘。 以下摘录自
双重检查加锁
可以使用“双重检查加锁”的方式来实现,就可以既实现线程安全,又能够使性能不受很大的影响。那么什么是“双重检查加锁”机制呢?
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,它的意思是:被volatile修饰的变量的值,将不会被本地线程缓存,所有对该变量的读写都是直接操作共享内存,从而确保多个线程能正确的处理该变量。
注意:在java1.4及以前版本中,很多JVM对于volatile关键字的实现的问题,会导致“双重检查加锁”的失败,因此“双重检查加锁”机制只能用在java5及以上的版本。
package cn.nevo.singleton;/** * 双重检查加锁下的单例模式 * @author Administrator * */public class DoubleCheckSingletonLock { private DoubleCheckSingletonLock() {} private volatile static DoubleCheckSingletonLock singleton = null; public static DoubleCheckSingletonLock getSingleton() { //检查实例是否存在,不存在进入下面的同步块 if(singleton == null) { synchronized (DoubleCheckSingletonLock.class) { if(singleton == null) { singleton = new DoubleCheckSingletonLock(); } } } return singleton; }}
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。
提示: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。
● 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
大家都知道,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:package cn.nevo.singleton.innerclass;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。
package cn.nevo.singleton;public enum SingletonEnum { //定义一个枚举元素,它就代表了一个SingletonEnum实例 INSTANCE; public static SingletonEnum getSingleton() { return INSTANCE; }}
● 登记式单例