一. 什麼是單例模式
因進程需要,有時我們只需要某個類同時保留一個對象,不希望有更多對象,此時,我們則應考慮單例模式的設計。
二. 單例模式的特點
1、單例模式只能有一個實例。
2、單例類必須創建自己的唯一實例。
3、單例類必須向其他對象提供這一實例。
三. 單例模式VS靜態類
在知道了什麼是單例模式後,我想你一定會想到靜態類,“既然只使用一個對象,爲何不乾脆使用靜態類?”,這裏我會將單例模式和靜態類進行一個比較。
1、單例可以繼承和被繼承,方法可以被override,而靜態方法不可以。
2、靜態方法中產生的對象會在執行後被釋放,進而被GC清理,不會一直存在於內存中。
3、靜態類會在第一次運行時初始化,單例模式可以有其他的選擇,即可以延遲加載。
4、基於2, 3條,由於單例對象往往存在於DAO層(例如sessionFactory),如果反覆的初始化和釋放,則會佔用很多資源,而使用單例模式將其常駐於內存可以更加節約資源。
5、靜態方法有更高的訪問效率。
6、單例模式很容易被測試。
幾個關於靜態類的誤解:
誤解一:靜態方法常駐內存而實例方法不是。
實際上,特殊編寫的實例方法可以常駐內存,而靜態方法需要不斷初始化和釋放。
誤解二:靜態方法在堆(heap)上,實例方法在棧(stack)上。
實際上,都是加載到特殊的不可寫的代碼內存區域中。
靜態類和單例模式情景的選擇:
情景一:不需要維持任何狀態,僅僅用於全局訪問,此時更適合使用靜態類。
情景二:需要維持一些特定的狀態,此時更適合使用單例模式。
四. 單例模式的實現
- 懶漢模式(線程不安全)
public class SingletonDemo {
private static SingletonDemo instance;
private SingletonDemo(){
}
public static SingletonDemo getInstance(){
if(instance==null){
instance=new SingletonDemo();
}
return instance;
}
}
如上,通過提供一個靜態的對象instance,利用private權限的構造方法和getInstance()方法來給予訪問者一個單例。
缺點是,沒有考慮到線程安全,可能存在多個訪問者同時訪問,並同時構造了多個對象的問題。之所以叫做懶漢模式,主要是因爲此種方法可以非常明顯的lazy loading。
針對懶漢模式線程不安全的問題,我們自然想到了,在getInstance()方法前加鎖,於是就有了第二種實現。
- 線程安全的懶漢模式(線程安全)
public class SingletonDemo {
private static SingletonDemo instance;
private SingletonDemo(){
}
public static synchronized SingletonDemo getInstance(){
if(instance==null){
instance=new SingletonDemo();
}
return instance;
}
}
然而併發其實是一種特殊情況,大多時候這個鎖佔用的額外資源都浪費了,這種打補丁方式寫出來的結構效率很低。
- 餓漢模式(線程安全)
public class SingletonDemo {
private static SingletonDemo instance=new SingletonDemo();
private SingletonDemo(){
}
public static SingletonDemo getInstance(){
return instance;
}
}
直接在運行這個類的時候進行一次loading,之後直接訪問。顯然,這種方法沒有起到lazy loading的效果,考慮到前面提到的和靜態類的對比,這種方法只比靜態類多了一個內存常駐而已。
- 靜態類內部加載(線程安全)
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;
}
}
使用內部類的好處是,靜態內部類不會在單例加載時就加載,而是在調用getInstance()方法時才進行加載,達到了類似懶漢模式的效果,而這種方法又是線程安全的。
- 枚舉方法(線程安全)
enum SingletonDemo{
INSTANCE;
public void otherMethods(){
System.out.println("Something");
}
}
Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式,在我看來簡直是來自神的寫法。解決了以下三個問題:
(1)自由串行化。
(2)保證只有一個實例。
(3)線程安全。
如果我們想調用它的方法時,僅需要以下操作:
public class Hello {
public static void main(String[] args){
SingletonDemo.INSTANCE.otherMethods();
}
}
這種充滿美感的代碼真的已經終結了其他一切實現方法了。
Josh Bloch 對這個方法的評價:
這種寫法在功能上與共有域方法相近,但是它更簡潔,無償地提供了串行化機制,絕對防止對此實例化,即使是在面對複雜的串行化或者反射攻擊的時候。雖然這中方法還沒有廣泛採用,但是單元素的枚舉類型已經成爲實現Singleton的最佳方法。
枚舉單例這種方法問世以來,許多分析文章都稱它是實現單例的最完美方法——寫法超級簡單,而且又能解決大部分的問題。
不過我個人認爲這種方法雖然很優秀,但是它仍然不是完美的——比如,在需要繼承的場景,它就不適用了。
- 雙重校驗鎖法(通常線程安全,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;
}
}
接下來我解釋一下在併發時,雙重校驗鎖法會有怎樣的情景:
STEP 1. 線程A訪問getInstance()方法,因爲單例還沒有實例化,所以進入了鎖定塊。
STEP 2. 線程B訪問getInstance()方法,因爲單例還沒有實例化,得以訪問接下來代碼塊,而接下來代碼塊已經被線程1鎖定。
STEP 3. 線程A進入下一判斷,因爲單例還沒有實例化,所以進行單例實例化,成功實例化後退出代碼塊,解除鎖定。
STEP 4. 線程B進入接下來代碼塊,鎖定線程,進入下一判斷,因爲已經實例化,退出代碼塊,解除鎖定。
STEP 5. 線程A獲取到了單例實例並返回,線程B沒有獲取到單例並返回Null。
理論上雙重校驗鎖法是線程安全的,並且,這種方法實現了lazyloading。
- 第七種終極版 (volatile)
對於6中Double-Check這種可能出現的問題(當然這種概率已經非常小了,但畢竟還是有的嘛~),解決方案是:只需要給instance的聲明加上volatile關鍵字即可,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關鍵字的一個作用是禁止指令重排,把instance聲明爲volatile之後,對它的寫操作就會有一個內存屏障(什麼是內存屏障?),這樣,在它的賦值完成之前,就不用會調用讀操作。
注意:volatile阻止的不singleton = newSingleton()這句話內部[1-2-3]的指令重排,而是保證了在一個寫操作([1-2-3])完成之前,不會調用讀操作(if (instance == null))。
也就徹底防止了6中的問題發生。
- 使用ThreadLocal實現單例模式(線程安全)
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會爲每一個線程提供一個獨立的變量副本,從而隔離了多個線程對數據的訪問衝突。對於多線程資源共享的問題,同步機制採用了“以時間換空間”的方式,而ThreadLocal採用了“以空間換時間”的方式。前者僅提供一份變量,讓不同的線程排隊訪問,而後者爲每一個線程都提供了一份變量,因此可以同時訪問而互不影響。
- 使用CAS鎖實現(線程安全)
/\*\*
\* 更加優美的Singleton, 線程安全的
\*/
public class Singleton {
/\*\* 利用AtomicReference \*/
private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton>();
/\*\*
\* 私有化
\*/
private Singleton(){
}
/\*\*
\* 用CAS確保線程安全
\*/
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);
}
}