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Singleton Pattern
阅读量:6454 次
发布时间:2019-06-23

本文共 5584 字,大约阅读时间需要 18 分钟。

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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;	}}
饿汉式是典型的空间换时间,当类装载的时候就会创建类的实例,不管你用不用,先创建出来,然后每次调用的时候,就不需要再判断,节省了运行时间。
● 懒汉式单例 (非线程安全的)
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;	}}
要使用LazySingleton,调用getSingleton()方法。第一次的时候发现singleton是null,然后就新建一个对象,返回;第二次再使用的时候,因为这个singleton是static的,所以已经不是null了,因此不会再创建对象,直接将其返回。

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;	}}
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。

 ● 登记式单例

转载于:https://my.oschina.net/xiaomaoandhong/blog/74586

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