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设计模式—单例设计模式

JAVA 西门飞冰 135℃
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1.何为单例设计模式

所谓类的单例设计模式,就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中,对某个类只能存在一个对象实例,并且该类只提供一个取得其对象实例的方法。

单例模式的优点:

由于单例模式只生成一个实例,减少了系统性能开销,当一个对象的产生需要比较多的资源时,如读取配置、产生其他依赖对象时,则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象,然后永久驻留内存的方式来解决。

2.如何实现一个单例

如果我们要让类在一个虚拟机中只能产生一个对象,我们首先必须将类的构造器的访问权限设置为private,这样,就不能用new操作符在类的外部产生类的对象了,但在类内部仍可以产生该类的对象。因为在类的外部开始还无法得到类的对象,只能调用该类的某个静态方法以返回类内部创建的对象,静态方法只能访问类中的静态成员变量,所以,指向类内部产生的该类对象的变量也必须定义成静态的

要实现一个单例,需要关注的点有下面几个:

  • 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)。

3.单例模式的五种实现方式

3.1.饿汉式

类加载时直接实例化单例对象

public class IdGenerator {
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    //2、内部提供一个当前类的实例
    //4、此实例也必须静态化
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
    //1、构造器私有化,外部不能new
    private IdGenerator() {}
    //3、提供公共的静态方法,返回当前类的对象
    public static IdGenerator getInstance() {
        return instance;
    }
    public long getId() {
        return id.incrementAndGet();
    }
}

单例测试类:

class SingletonTest{
    public static void main(String[] args) {
        //单例正确性测试
        IdGenerator instance = IdGenerator.getInstance();
        IdGenerator instance2 = IdGenerator.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());

        //业务调用测试
        long id1 = IdGenerator.getInstance().getId();
        System.out.println(id1);
        long id2 = IdGenerator.getInstance().getId();
        System.out.println(id2);
        long id3 = IdGenerator.getInstance().getId();
        System.out.println(id3);
    }
}

优缺点说明:

  1. 优点:这种写法比较简单,就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同 步问题。
  2. 缺点:在类装载的时候就完成实例化,没有达到Lazy Loading的效果。如果从始 至终从未使用过这个实例,则会造成内存的浪费
  3. 这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题,不过,instance在类装载时就实例化,在单例模式中大多数都是调用getInstance方法, 但是导致类装载的原因有很多种,因此不能确定有其他的方式(或者其他的静态方法)导致类 装载,这时候初始化instance就没有达到lazy loading的效果
  4. 结论:这种单例模式可用,可能造成内存浪费

3.2.懒汉式

第一次调用时实例化对象(延迟加载)

public class IdGenerator {
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    //1、私有化构造器
    private IdGenerator(){}
    //2、内部提供一个当前类的实例,此实例必须静态化
    private static IdGenerator instance;
    //3、提供公共的静态方法,返回当前类的对象
    public static IdGenerator getInstance(){
        if (instance == null){
            instance = new IdGenerator();
        }
        return instance;
    }

    public long getId(){
        return id.incrementAndGet();
    }
}

优缺点说明:

  1. 起到了Lazy Loading的效果,但是只能在单线程下使用。
  2. 如果在多线程下,一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块,还未来得及往下执行,另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例。所以 在多线程环境下不可使用这种方式
  3. 结论:在实际开发中,不要使用这种方式。

3.3.双重校验

public class IdGenerator {
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    private static IdGenerator instance;
    private IdGenerator() {}
    //提供一个静态的公有方法,加入双重检查代码,解决线程安全问题,同时解决懒加载问题
    public static IdGenerator getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
                if (instance == null) {
                    instance = new IdGenerator();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    public long getId() {
        return id.incrementAndGet();
    }
}
  1. Double-Check概念是多线程开发中常使用到的,如代码中所示,我们进行了两 次if (singleton == null)检查,这样就可以保证线程安全了。
  2. 这样,实例化代码只用执行一次,后面再次访问时,判断if (singleton == null), 直接return实例化对象,也避免的反复进行方法同步.
  3. 线程安全;延迟加载;效率较高
  4. 在实际开发中,鬼才会这么写

为什么需要两次判断if(instance==null)?

第⼀次校验:由于单例模式只需要创建⼀次实例,如果后⾯再次调⽤getInstance⽅法时,则直接返回之前创建的实例,因此⼤部分时间不需要执⾏同步⽅法⾥⾯的代码,⼤⼤提⾼了性能。如果不加第⼀次校验的话,那跟上⾯的懒汉模式没什么区别,每次都要去竞争锁。

第⼆次校验:如果没有第⼆次校验,假设线程t1执⾏了第⼀次校验后,判断为null,这时t2也获取了CPU执⾏权,也执⾏了第⼀次校验,判断也为null。接下来t2获得锁,创建实例。这时t1⼜获得CPU执⾏权,由于之前已经进⾏了第⼀次校验,结果为null(不会再次判断),获得锁后,直接创建实例。结果就会导致创建多个实例。所以需要在同步代码⾥⾯进⾏第⼆次校验,如果实例为空,则进⾏创建。

3.4.静态内部类

优缺点说明:

  1. 这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
  2. 静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化,而是在需要实例化 时,调用getInstance方法,才会装载SingletonInstance类,从而完成Singleton的实例化。
  3. 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,所以在这里,JVM帮助我们保证了线程的安全性,在类进行初始化时,别的线程是无法进入的。
  4. 优点:避免了线程不安全,利用静态内部类特点实现延迟加载,效率高
  5. 结论:推荐使用

3.5.枚举(建议使用)

枚举对象是单例的,一种对象只会在内存中保存一份。

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,是最简单实现单例的方式,保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。

public enum IdGenerator {
    INSTANCE;   //属性
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    public long getId(){
        return id.incrementAndGet();
    }
}

class SingletonTest{
    public static void main(String[] args) {
        //单例正确性测试
        IdGenerator instance = IdGenerator.INSTANCE;
        IdGenerator instance2 = IdGenerator.INSTANCE;
        System.out.println(instance == instance2);
        System.out.println("instance.hashCode=" + instance.hashCode());
        System.out.println("instance2.hashCode=" + instance2.hashCode());

        //业务调用测试
        IdGenerator id1 = IdGenerator.INSTANCE;
        System.out.println(id1.getId());
        IdGenerator id2 = IdGenerator.INSTANCE;
        System.out.println(id2.getId());
        IdGenerator id3 = IdGenerator.INSTANCE;
        System.out.println(id3.getId());
    }
}

优缺点说明:

  1. 这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题,而 且还能防止反序列化重新创建新的对象。
  2. 这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式
  3. 结论:推荐使用

4.应用场景

  • 网站的计数器,一般也是单例模式实现,否则难以同步。
  • 应用程序的日志应用,一般都使用单例模式实现,这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态,因为只能有一个实例去操作,否则内容不好追加。
  • 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式,因为数据库连接是一种数据库资源。
  • 项目中,读取配置文件的类,一般也只有一个对象。没有必要每次使用配置文件数据,都生成一个对象去读取。
  • Application也是单例的典型应用
  • Windows的Task Manager (任务管理器)就是很典型的单例模式
  • Windows的Recycle Bin (回收站)也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中,回收站一直维护着仅有的一个实例。

5.案例1:处理资源访问冲突

在这个例子中,我们自定义实现了一个往文件中打印日志的Logger类,具体的代码实现如下:

public class Logger {
    private FileWriter writer;

    public Logger() {
        File file = new File("/var/log/app.log");
        writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写⼊
    }

    public void log(String message) {
        writer.write(message);
    }
}
// Logger类的应⽤示例:
public class UserController {
    private Logger logger = new Logger();

    public void login(String username, String password) {
        // ...省略业务逻辑代码...
        logger.log(username + " logined!");
    }
}
public class OrderController {
    private Logger logger = new Logger();

    public void create(OrderVo order) {
        // ...省略业务逻辑代码...
        logger.log("Created an order: " + order.toString());
    }
}

在上面的代码中,我们注意到,所有的日志都写入到同一个文件/var/log/app.log中。在UserController和OrderController中,我们分别创建两个Logger对象。在多线程环境下,如果两个线程分别执行login()和create()两个函数,并且同时写日志到app.log文件中,那就有可能存在日志信息相互覆盖的情况。

在类对象层面上锁解决争执问题:

public class Logger {
    private FileWriter writer;
    public Logger() {
        File file = new File("/var/log/app.log");
        writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写⼊
    }

    public void log(String message) {
        synchronized(Logger.class) { // 类级别的锁
            writer.write(mesasge);
        }
    }
}

除了使用类级别锁之外,实际上,解决资源竞争问题的办法还有很多。不过,实现一个安全可靠、无bug、高性能的分布式锁,并不是件容易的事情。除此之外,并发队列(如Java中的BlockingQueue)也可以解决这个问题:多个线程同时往并发队列里写日志,一个单独的线程负责将并发队列中的数据,写入到日志文件。这种方法实现起来也稍微有些复杂。

单例模式的解决思路就简单⼀些了。单例模式相对于之前类级别锁的好处是,不⽤创建那么多 Logger对象,⼀⽅⾯节省内存空间,另⼀⽅⾯节省系统⽂件句柄(对于操作系统来说,⽂件句柄也是⼀种资源,不能随便浪费)。

我们将 Logger 设计成⼀个单例类,程序中只允许创建⼀个 Logger 对象,所有的线程共享使⽤的这⼀个Logger 对象,共享⼀个FileWriter 对象,⽽ FileWriter 本身是对象级别线程安全的,也就避免了多线程情况下写⽇志会互相覆盖的问题。

public class Logger {
    private FileWriter writer;
    private static final Logger instance = new Logger();
    private Logger() {
        File file = new File("/var/log/app.log");
        writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写⼊
    }

    public static Logger getInstance() {
        return instance;
    }

    public void log(String message) {
        writer.write(mesasge);
    }
}
// Logger类的应⽤示例:
public class UserController {
    public void login(String username, String password) {
        // ...省略业务逻辑代码...
        Logger.getInstance().log(username + " logined!");
    }
}
public class OrderController {
    public void create(OrderVo order) {
        // ...省略业务逻辑代码...
        Logger.getInstance().log("Created a order: " + order.toString());
    }
}

6.案例2:表示全局唯一

从业务概念上,如果有些数据在系统中只应保存⼀份,那就⽐较适合设计为单例类。⽐如,配置信息类。在系统中,我们只有⼀个配置⽂件,当配置⽂件被加载到内存之后,以对象的形式存在,也理所应当只有⼀份。

⽐如id⽣成器也很适合

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
public class IdGenerator {
    private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
    //在初始化操作提前到类加载时完成
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
    private IdGenerator() {}
    public static IdGenerator getInstance() {
        return instance;
    }
    public long getId() {
        return id.incrementAndGet();
    }
}

    // IdGenerator使⽤举例
    long id = IdGenerator.getInstance().getId();

 

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