Java设计模式之单例模式的9种方法
一. 什么是单例模式
因进程需要,有时我们只需要某个类同时保留一个对象,不希望有更多对象,此时,我们则应考虑单例模式的设计。
二. 单例模式的特点
1、单例模式只能有一个实例。
2、单例类必须创建自己的唯一实例。
3、单例类必须向其他对象提供这一实例。
三. 单例模式VS静态类
在知道了什么是单例模式后,我想你一定会想到静态类,“既然只使用一个对象,为何不干脆使用静态类?”,这里我会将单例模式和静态类进行一个比较。
1、单例可以继承和被继承,方法可以被override,而静态方法不可以。
2、静态方法中产生的对象会在执行后被释放,进而被GC清理,不会一直存在于内存中。
3、静态类会在第一次运行时初始化,单例模式可以有其他的选择,即可以延迟加载。
4、基于2, 3条,由于单例对象往往存在于DAO层(例如sessionFactory),如果反复的初始化和释放,则会占用很多资源,而使用单例模式将其常驻于内存可以更加节约资源。
5、静态方法有更高的访问效率。
6、单例模式很容易被测试。
几个关于静态类的误解:
误解一:静态方法常驻内存而实例方法不是。
实际上,特殊编写的实例方法可以常驻内存,而静态方法需要不断初始化和释放。
误解二:静态方法在堆(heap)上,实例方法在栈(stack)上。
实际上,都是加载到特殊的不可写的代码内存区域中。
静态类和单例模式情景的选择:
情景一:不需要维持任何状态,仅仅用于全局访问,此时更适合使用静态类。
情景二:需要维持一些特定的状态,此时更适合使用单例模式。
四. 单例模式的实现
- 懒汉模式(线程不安全)
public class SingletonDemo { private static SingletonDemo instance; private SingletonDemo(){ } public static SingletonDemo getInstance(){ if(instance==null){ instance=new SingletonDemo(); } return instance; } }
如上,通过提供一个静态的对象instance,利用private权限的构造方法和getInstance()方法来给予访问者一个单例。
缺点是,没有考虑到线程安全,可能存在多个访问者同时访问,并同时构造了多个对象的问题。之所以叫做懒汉模式,主要是因为此种方法可以非常明显的lazy loading。
针对懒汉模式线程不安全的问题,我们自然想到了,在getInstance()方法前加锁,于是就有了第二种实现。
- 线程安全的懒汉模式(线程安全)
public class SingletonDemo { private static SingletonDemo instance; private SingletonDemo(){ } public static synchronized SingletonDemo getInstance(){ if(instance==null){ instance=new SingletonDemo(); } return instance; } }
然而并发其实是一种特殊情况,大多时候这个锁占用的额外资源都浪费了,这种打补丁方式写出来的结构效率很低。
- 饿汉模式(线程安全)
public class SingletonDemo { private static SingletonDemo instance=new SingletonDemo(); private SingletonDemo(){ } public static SingletonDemo getInstance(){ return instance; } }
直接在运行这个类的时候进行一次loading,之后直接访问。显然,这种方法没有起到lazy loading的效果,考虑到前面提到的和静态类的对比,这种方法只比静态类多了一个内存常驻而已。
- 静态类内部加载(线程安全)
public class SingletonDemo { private static class SingletonHolder{ private static SingletonDemo instance=new SingletonDemo(); } private SingletonDemo(){ System.out.println("Singleton has loaded"); } public static SingletonDemo getInstance(){ return SingletonHolder.instance; } }
使用内部类的好处是,静态内部类不会在单例加载时就加载,而是在调用getInstance()方法时才进行加载,达到了类似懒汉模式的效果,而这种方法又是线程安全的。
- 枚举方法(线程安全)
enum SingletonDemo{ INSTANCE; public void otherMethods(){ System.out.println("Something"); } }
Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式,在我看来简直是来自神的写法。解决了以下三个问题:
(1)自由串行化。
(2)保证只有一个实例。
(3)线程安全。
如果我们想调用它的方法时,仅需要以下操作:
public class Hello { public static void main(String[] args){ SingletonDemo.INSTANCE.otherMethods(); } }
这种充满美感的代码真的已经终结了其他一切实现方法了。
Josh Bloch 对这个方法的评价:
这种写法在功能上与共有域方法相近,但是它更简洁,无偿地提供了串行化机制,绝对防止对此实例化,即使是在面对复杂的串行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。
枚举单例这种方法问世以来,许多分析文章都称它是实现单例的最完美方法——写法超级简单,而且又能解决大部分的问题。
不过我个人认为这种方法虽然很优秀,但是它仍然不是完美的——比如,在需要继承的场景,它就不适用了。
- 双重校验锁法(通常线程安全,低概率不安全)
public class SingletonDemo { private static SingletonDemo instance; private SingletonDemo(){ System.out.println("Singleton has loaded"); } public static SingletonDemo getInstance(){ if(instance==null){ synchronized (SingletonDemo.class){ if(instance==null){ instance=new SingletonDemo(); } } } return instance; } }
接下来我解释一下在并发时,双重校验锁法会有怎样的情景:
STEP 1. 线程A访问getInstance()方法,因为单例还没有实例化,所以进入了锁定块。
STEP 2. 线程B访问getInstance()方法,因为单例还没有实例化,得以访问接下来代码块,而接下来代码块已经被线程1锁定。
STEP 3. 线程A进入下一判断,因为单例还没有实例化,所以进行单例实例化,成功实例化后退出代码块,解除锁定。
STEP 4. 线程B进入接下来代码块,锁定线程,进入下一判断,因为已经实例化,退出代码块,解除锁定。
STEP 5. 线程A获取到了单例实例并返回,线程B没有获取到单例并返回Null。
理论上双重校验锁法是线程安全的,并且,这种方法实现了lazyloading。
- 第七种终极版 (volatile)
对于6中Double-Check这种可能出现的问题(当然这种概率已经非常小了,但毕竟还是有的嘛~),解决方案是:只需要给instance的声明加上volatile关键字即可,volatile版本如下:
public class Singleton{ private volatile static Singleton singleton = null; private Singleton() { } public static Singleton getInstance() { if (singleton== null) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton== null) { singleton= new Singleton(); } } } return singleton; } }
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(什么是内存屏障?),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singleton = newSingleton()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))。
也就彻底防止了6中的问题发生。
- 使用ThreadLocal实现单例模式(线程安全)
public class Singleton { private static final ThreadLocal<Singleton> tlSingleton = new ThreadLocal<Singleton>() { @Override protected Singleton initialValue() { return new Singleton(); } };
/\*\* \* Get the focus finder for this thread. \*/ public static Singleton getInstance() { return tlSingleton.get(); } // enforce thread local access private Singleton() {} }
ThreadLocal会为每一个线程提供一个独立的变量副本,从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。对于多线程资源共享的问题,同步机制采用了“以时间换空间”的方式,而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量,让不同的线程排队访问,而后者为每一个线程都提供了一份变量,因此可以同时访问而互不影响。
- 使用CAS锁实现(线程安全)
/\*\* \* 更加优美的Singleton, 线程安全的 \*/ public class Singleton { /\*\* 利用AtomicReference \*/ private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton>(); /\*\* \* 私有化 \*/ private Singleton(){ } /\*\* \* 用CAS确保线程安全 \*/ public static final Singleton getInstance(){ for (;;) { Singleton current = INSTANCE.get(); if (current != null) { return current; } current = new Singleton(); if (INSTANCE.compareAndSet(null, current)) { return current; } } } public static void main(String[] args) { Singleton singleton1 = Singleton.getInstance(); Singleton singleton2 = Singleton.getInstance(); System.out.println(singleton1 == singleton2); } }
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