Java設計模式之單例模式的9種方法

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

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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);

 }

}

 

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