人人都会设计模式：02-单例子模式--Singleton
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教程简介
- 1、阅读对象
本篇教程适合新手阅读，老手直接略过 - 2、教程难度
初级，本人水平有限，文章内容难免会出现问题，如果有问题欢迎指出，谢谢 - 3、Demo 地址
https://github.com/githubchen001/DesignPattern 请看 SingleTon 部分
正文
一、什么是单例模式
1、 生活中的单例
一个男人只能有一个媳妇「正常情况」，一个人只能有一张嘴，通常一个公司只有一个 CEO ，一个狼群中只有一个狼王等等
2、程序中的单例
一句话，就是保证一个类仅有一个实例即可「new 一次」，其实好多人都不把单例当作成一个设计模式，只是当作是一个工具类而已，因为它的确很简单，并且当你面视的时候面视官问你设计模式的时候估计都会说：可以说说你了解的设计模式吗「单例除外」。虽然很简单，但是我们还是要掌握和了解它，并且要深层次的了解它
单例模式的定义
单例单例就是单一的实例，单例模式就保证一个类仅有一个实例，并且提供一个可以仿问的全局方法可以访问它
单例模式的应用
- 网站的计数器
- 应用配置
- 多线程池一般也采用单例去设计
- 数据库配置,数据库连接池
- 其它等等
单例的特点
- 不能被外部实例化，只能自己内部实例化自己
- 单例生成的对象是独一无二的「节省资源」
单例模式的结构
| 角色 | 类别 | 说明 |
|---|---|---|
| Singleton | 单例类 | 就是一个普通的类 |
| getInstance() | 一个静态方法 | 提供类的实例 |
单例模式的 UML
从上图我们可以了解到编写一个单例的基本步骤「我称之为三步法」
- 1、成员变量静态化
- 2、构造方法私有化
- 3、实例方法静态化
简单的代码结构就是
class SingleTon{
private static SingleTon instance ;
private SingleTon(){}
public static SingleTon getInstance(){
if(null == instance){
instance = new SingleTon();
}
return instance ;
}
}在实际开发中，我们按照以上三步法就可以创建出一个单例来「直接用方法套用即可」
二、单例模式举例
单例模式举例
比如在一个狼群当中，只有一个狼王，有若干侦察狼、捕猎狼等等，这样就组成了一个狼群，下面看简单的 java 代码「代码只是用来演示单例模式，参考即可」
先看看狼王单例简单的 UML
根据 UML 编码
- 1、定义一个狼的接口，比如这里是下达任务
public interface IWolf {
void doSomting() ;
}- 2、定义一个侦察狼，它是放哨和探路的
/**
* 侦察狼
*/
public class ZhenChaLang implements IWolf {
@Override
public void doSomting() {
// 执行狼王交行的任务
System.out.println(" 去探路");
}
public void fangShao(){
System.out.println(" 去放哨");
}
}- 3、定义一个捕猎狼，猎羊
/**
* 捕猎狼
*/
public class BuLieLang implements IWolf {
@Override
public void doSomting() {
System.out.println(" 去猎羊");
}
}
- 4、主角狼王上场，统一安排规划
/**
* 狼王
*/
public class LangWang implements IWolf {
private static LangWang langWang ;
private LangWang(){
System.out.println("狼王产生了--构造方法被调用");
}
public static LangWang getLangWang(){
if(null == langWang){
langWang = new LangWang() ;
}
System.out.println("狼王对应的地址："+langWang.toString());
return langWang ;
}
public static void main(String args[]){
LangWang.getLangWang().doSomting();
LangWang.getLangWang().buLie();
}
@Override
public void doSomting() {
// 安排一些工作给下属狼 比如侦查狼
ZhenChaLang zhenChaLang1 = new ZhenChaLang() ;
System.out.print("侦察狼 "+zhenChaLang1.toString());
zhenChaLang1.doSomting();
ZhenChaLang zhenChaLang2 = new ZhenChaLang();
System.out.print("侦察狼 "+zhenChaLang2.toString());
zhenChaLang2.fangShao();
}
public void buLie(){
BuLieLang buLieLang1 = new BuLieLang() ;
System.out.print("捕猎狼 "+buLieLang1.toString());
buLieLang1.doSomting();
BuLieLang buLieLang2 = new BuLieLang() ;
System.out.print("捕猎狼 "+buLieLang2.toString());
buLieLang1.doSomting();
}
}
我们可以看到狼王是一个单例的「一个狼群确实只有一个狼王」，下面我们来验证一下结果
我们可以看到，虽然我们调用了两次狼王实例方法确实都是同一个狼王「地址是一样的」，而侦查狼和捕猎狼分别是不同的狼，这就是一个单例的使用，各自体会一下。
上面狼王的例子中我们使用的是非线程安全的懒汉式单例模式，单例模式有好几种实现方式，下面我们来说说这几种实现方式
单例模式的几种实现方式
1、饿汉式
饿汉式单例模式如其名，是一个饿货，类的实例在类加载的时候就初始化出来「把这一过程当作一个汉堡，也就是说必须要把汉堡提前准备好，饿货就知道吃」
特点
- 1、是线程安全的
- 2、类不是延时加载「直接是类加载的时候就初始化」
优缺点
-
优点：没有加锁，执行效率非常高「其实是以空间来换时间」 -
缺点：在类加载的时候就会初始化，浪费内存「你知道我要不要使用这个实例吗，你就给我初始化，太任性了」
演示代码
public class SingleTon{
// 1、成员变量静态化 饿汉式直接在类加载的时候就初始化实例
private static SingleTon instance = new SingleTon();
// 2、构造方法私有化
private SingleTon(){}
// 3、实例公有方法静态化
public static SingleTon getInstance(){
return instance ;
}
}2、懒汉式线程不安全
懒汉式单例模式，是在我需要的时候才去初始化实例，也就是说在类加载的时候，静态成员变量是 null 的，只有需要它的时候才去初始化实例，所以懒汉式可以延时加载
特点
- 1、线程不安全
- 2、延时初始化类，在我需要的时候「也就调用 getInstance」的时候才去初始化
优缺点
- 1、
优点：延时初始化类，省资源，不想用的时候就不会浪费内存 - 2、
缺点：线程不安全，多线程操作就会有问题
演示代码
public class SingleTon{
// 1、类变量静态化 类加载的时候是空的，所以不开辟内存
private static SingleTon instance = null ;
// 2、构造方法私有化，这没什么好说的
private SingleTon(){}
// 3、实例方法公有并且静态化
public static SingleTon getInstance(){
if(null == instance){
instance = new SingleTon() ;
}
}
return instance ;
}3、懒汉式线程安全
懒汉式线程安全比懒汉式线程不全多了一个线程安全
特点
- 1、线程安全
- 2、延时初始化类，在我需要的时候「也就调用 getInstance」的时候才去初始化化
优缺点
- 1、
优点：延时初始化类，省资源，不想用的时候就不会浪费内存，并且线程安全 - 2、
缺点：虽然线程安全，但是加了锁对性能影响非常大「相当于排队获取资源，没有拿到锁子就干等」
演示代码
public class SingleTon{
private static SingleTon instance ;
private SingleTon(){}
// 在这里加一个同步锁，这样就保证线程安全了
public static synchronized SingleTon getInstance(){
if(null == instalce){
instance = new SingleTon() ;
}
return instance ;
}
}4、DCL「双重检查锁:double-checked locking」 单例
如其名，双检锁，这种方式单例模式在多线程的情况下能提高性能
特点
- 1、线程安全
- 2、延时初始化类，在我需要的时候「也就调用 getInstance」的时候才去初始化化
优缺点
- 1、
优点：延时初始化类，省资源，不想用的时候就不会浪费内存，并且线程安全，双重加锁，多线程仿问性能达到提升「后面详细说 WHY」 - 2、
缺点：虽然线程安全，但是双检锁会遇到指令重排的问题，导致多线程下失效「后面会说」
演示代码
public class DCLSingleTon {
/**1、成员变量静态化**/
private static DCLSingleTon instance ;
/**2、构造方法私有化*/
private DCLSingleTon(){}
/**3、实例方法静态化**/
public static DCLSingleTon getInstance(){
if(null == instance){ //第一次检查
synchronized (DCLSingleTon.class){ //加锁
if(null == instance){ // 第二次检查
instance = new DCLSingleTon() ;
}
}
}
return instance ;
}
}
双检锁性能提高
那么这种方式，如何保证线程并且有很好的性能呢，首先安全安全不说了看到 synchronized 关键字我们就知道了，这里说一下为什么说性能比 3 中的提高了呢
我们知道线程安全性能主要是出在 synchronized 锁上，我们只要能保证锁最小化调用即可
从上面代码可以看出，只有第一次当 instance 为空的时候，才会去调用 synchronized 中的方法，以后就直接返回 synchronized 实例了，也就说 synchronized 只调用一次，所以在多线程上性能会大大的提升
指令重排引起 DCL 问题
这样做看起来很不错，解决了多线程问题并延时加载，并且同步一次性能有了不错的提升，但是这样做仍然会有问题，这和 Java 的内存模型有关「这种内存模型可以让处理器大大的提高执行效率」
如果再深入的说，就要说 JAVA 的内存模型了「这不在本节范围之内」，大家只要记住，Java 的指令重排会导致多线程问题「单线程不会受影响」，指令排序通俗的说就是代码执行顺序改变了，比如:以下一个简单的例子「下面代码只是为了说明问题，并不是真实情况下的代码」
class A{
private static int a,b = 0 ;
public static void main(String args[]){
a = 1 ;
b = 2 ;
System.out.print("a = "+a+"b = "+b)
}
}
如果按照正常情况下肯定结果是 a=1,b=2。但是如果指令排序多线程情况下就有可能会出现 a=0,b=2 ，也就是 a = 1 和 b =2 调用顺序反过来了「便于理解，实际比这个复杂多了」，这样就大概解释了指令重排，详细可以看看美团点评技术团队的Java内存访问重排序的研究 讲的还是非常好的
DCL 遇到指令重排出现问题分析
上面的问题要从 instance = new SingleTon() 这句初始化开始「由于这是很多条指令，JVM 可能会指令重排，也叫乱序执行」，这个过程分成三个步骤
- 1、给 instance 分配内存
- 2、然后调用 SingleTon 的构造方法初始化成员变量
- 3、把 instance 对象指向分配的内存空间(到这一步，那么 instance 肯定就是非空的)
问题：
如果按照 1 2 3 执行顺序那么也就存在什么问题，可是实际情况是 2 3 执行顺序是不确定的「指令重排序」，这时结果就会成 1 3 2 ，那么问题来了，假如按后者来说，3 刚执行完毕，2 还没有开始之前，突然被另外一个线程2抢占了，此时 instance 已经非空的「但是却没有初始化」，那么线程2会直接返回 instance 去使用，结果就是挂了
好了，既然找到了问题，那么解决办法有以下两种
- 1、不让 2 3 步骤发生指令排序
- 2、让保证初始化 intance 时只有一个线程来操作「就是单线程操作，单线程不会存在排序问题」
解决方案一：不发生指令排序
使用 volatile 关键字「Java 5 之后 volatile 就可以禁止对指令重新排序 」，就可以指令不发生重排，修改代码
public class DCLSingleTon {
/**1、成员变量静态化**/
private volatile static DCLSingleTon instance ;
/**2、构造方法私有化*/
private DCLSingleTon(){}
/**3、实例方法静态化**/
public static DCLSingleTon getInstance(){
if(null == instance){ //第一次检查
synchronized (DCLSingleTon.class){ //加锁
if(null == instance){ // 第二次检查
instance = new DCLSingleTon() ;
}
}
}
return instance ;
}
}当然了，Java 5 之后才能完美的使用 volatile ，那么之前如何解决 DCL 安全问题呢？可以使用 Thread Local ，临时变量等具体可以看关于 DCL 的讲解以及改善 双重锁定被破坏声明 说的非常的好
解决方案二：静态内存部类 其实就是我们要说的第 5 种单例模式
利用 classloder 的机制来保证初始化 instance 时只有一个线程。JVM 在类初始化阶段会获取一个锁，这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化
修改代码
public class DCLSingleTon {
private DCLSingleTon(){}
static class SingleTonHolder{
private static final DCLSingleTon instance = new DCLSingleTon() ;
}
public static DCLSingleTon getInstance(){
return SingleTonHolder.instance ;
}
}
5、静态内部类单例模式
静态内部类可以允许指令重排，但是对别的线程是不可见的，那么就想当于单线程指令重排对结果是没有影响的「这是内存模型的特点」，我们来看一下单线程的执行行时序图，我们来看 SingleTon instence = new SingleTon() 这一过程
所以静态内存类单例，你就可以理解成一个线程把上述过程做完了，所以别的线程看不见，所以不会出现时间排序的问题
只要保证 2 在 4 的前面，那么 2 3 是否重排，对结果都是没有影响的「在单线程的情况下」
特点
- 1、线程安全
- 2、延时初始化类，在我需要的时候「也就调用 getInstance」的时候才去初始化化
优缺点
- 1、
优点：延时初始化类，省资源，不想用的时候就不会浪费内存,并且线程安全，还可以执行其它的静态方法 - 2、
缺点：--
演示代码
public class SingleTon {
private SingleTon(){}
static class SingleTonHolder{
private static final DCLSingleTon instance = new DCLSingleTon() ;
}
public static SingleTon getInstance(){
return SingleTonHolder.instance ;
}
}
6、枚举类单例
枚举类单例模式是 《Effective Java》 作者极力推荐的单例的方法
特点
特点也就是检举类的特点，我们先看看枚举类的特点吧，多说无用，我们结合 java 代码来分析
// 一周的枚举，这里为了说明问题，只列举到周三
public enum EnumDemo {
MONDAY,
TUESDAY,
WEDNESDAY ;
public void donSomthing(){}
}
以上就是一个简单的枚举 Java 类，我们反编译来看一下它的实现机制是杂样的，在这里我使用 jad 来反编译「当然你也可以使用 javap 来反编译还能看到二进制」,以上 java 代码反编译出来的结果如下：
从以上反编译出来的代码图我们可以看出以下几点信息：
- 1、枚举类类型是 final 的「不可以被继承」
- 2、构造方法是私有的「也只能私有，不允许被外部实例化，符合单例」
- 3、类变量是静态的
- 4、没有延时初始化，随着类的初始化就初始化了「从上面静态代码块中可以看出」
- 5、由 4 可以知道枚举也是线程安全的
以上就是枚举类的特点，很符合单例模式，并且集成上以上几种单例模式的优点
优缺点
- 1、
优点：除以上特点优点之外，枚举类还有两个优点：写法简单、支持序列化和反序列化操作「以上的单例序列化和反序列化会破坏单例模式」、并且反射也不能调用构造方法 - 2、
缺点：--
演示代码
public enum EnumSingleTon {
INSTACE; // 定义一个枚举原素，代表 EnumSingleTon 一个实例
/**
* 枚举中的构造方法只能写成 private 或是不写「不写默认就是 private」，所以枚举防止外部来实例化对象
*/
EnumSingleTon(){}
/**
* 一些额外的方法
*/
public void doSometing(){
Log.e("枚举类单例","这是枚举单例中的方法") ;
}
}总结
一般情况下，不建议使用第 2 种和第 3 种懒汉式单例，建议使用第 1 种饿汉式单例，如果项目中明确要使用延时加载那么使用第 5 种静态内存类的单例，如果有序列化反序列化操作可以使用第 6 种单例模式，如果是其它需求可以使用第 4 种 DCL 单例
三、Android 中的单例模式
1、 InputMethodManager 类
InputMethodManager 就一个服务类「输入法类」源码目录 Androidsdk\sources\android-26\android\view\inputmethod,部分代码如下：
@SystemService(Context.INPUT_METHOD_SERVICE)
public final class InputMethodManager {
// 省略若干行代码
...
static InputMethodManager sInstance;
// 省略若干行代码
...
// 以下是构造方法，没有声明权限就是私有的
InputMethodManager(Looper looper) throws ServiceNotFoundException {
this(IInputMethodManager.Stub.asInterface(
ServiceManager.getServiceOrThrow(Context.INPUT_METHOD_SERVICE)), looper);
}
// 以下是构造方法，没有声明权限就是私有的
InputMethodManager(IInputMethodManager service, Looper looper) {
mService = service;
mMainLooper = looper;
mH = new H(looper);
mIInputContext = new ControlledInputConnectionWrapper(looper,
mDummyInputConnection, this);
}
public static InputMethodManager getInstance() {
synchronized (InputMethodManager.class) {
if (sInstance == null) {
try {
sInstance = new InputMethodManager(Looper.getMainLooper());
} catch (ServiceNotFoundException e) {
throw new IllegalStateException(e);
}
}
return sInstance;
}
}
// 省略若干行代码
...
}从上面代码可以看出，InputMethodManager 是一个典型的-- 线程安全的懒汉式单例
2、Editable 类
文件目录:frameworks/base/core/java/android/text/Editable.java 部分代码如下：
private static Editable.Factory sInstance = new Editable.Factory();
/**
* Returns the standard Editable Factory.
*/
public static Editable.Factory getInstance() {
return sInstance;
}
可以看到非常典型的一个饿汉式单例模式
Android 源码中有非常多的单例模式的例子，这里就一一列举了，相信你看完上面的介绍绝对可以写出一个适合自己项目的单例了
到此为止，我们就把单例械说完了，动手试试吧，点赞是一种鼓励，是一种美德
参考资料：
- 1、美团点评技术团队：Java内存访问重排序的研究
- 2、双重锁定被破坏声明：http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html
- 3、方腾飞 《Java 并发编程的艺术》 第三章 Java 内存模型
