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设计模式详解之单例模式

简介: 单例模式(Singleton): 单例对象(Singleton)是一种常用的设计模式。在Java应用中,单例对象能保证在一个JVM中,该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处: 1、某些类创建比较频繁,对于一些大型的对象,这是一笔很大的系统开销。
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单例模式(Singleton):

单例对象(Singleton)是一种常用的设计模式。在Java应用中,单例对象能保证在一个JVM中,该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处:
1、某些类创建比较频繁,对于一些大型的对象,这是一笔很大的系统开销。
2、省去了new操作符,降低了系统内存的使用频率,减轻GC压力。
3、有些类如交易所的核心交易引擎,控制着交易流程,如果该类可以创建多个的话,系统完全乱了。(比如一个军队出现了多个司令员同时指挥,肯定会乱成一团),所以只有使用单例模式,才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

一个简单的单例类:

public class Singleton {

	/* 持有私有静态实例,防止被引用,此处赋值为null,目的是实现延迟加载 */
	private static Singleton instance = null;

	/* 私有构造方法,防止被实例化 */
	private Singleton() {
	}

	/* 静态工程方法,创建实例 */
	public static Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}

	/* 如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致 */
	public Object readResolve() {
		return instance;
	}
}


这个类可以满足基本要求,但是,像这样毫无线程安全保护的类,如果我们把它放入多线程的环境下,肯定就会出现问题了,如何解决?我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字,如下:

public static synchronized Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}

但是,synchronized关键字锁住的是这个对象,这样的用法,在性能上会有所下降,因为每次调用getInstance(),都要对对象上锁,事实上,只有在第一次创建对象的时候需要加锁,之后就不需要了,所以,这个地方需要改进。我们改成下面这个:

public static Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			synchronized (instance) {
				if (instance == null) {
					instance = new Singleton();
				}
			}
		}
		return instance;
	}

似乎解决了之前提到的问题,将synchronized关键字加在了内部,也就是说当调用的时候是不需要加锁的,只有在instance为null,并创建对象的时候才需要加锁,性能有一定的提升。但是,这样的情况,还是有可能有问题的,看下面的情况:在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的,也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序,也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间,然后直接赋值给instance成员,然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了,我们以A、B两个线程为例:
a>A、B线程同时进入了第一个if判断
b>A首先进入synchronized块,由于instance为null,所以它执行instance = new Singleton();
c>由于JVM内部的优化机制,JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存,并赋值给instance成员(注意此时JVM没有开始初始化这个实例),然后A离开了synchronized块。
d>B进入synchronized块,由于instance此时不是null,因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
e>此时B线程打算使用Singleton实例,却发现它没有被初始化,于是错误发生了。
所以程序还是有可能发生错误,其实程序在运行过程是很复杂的,从这点我们就可以看出,尤其是在写多线程环境下的程序更有难度,有挑战性。我们对该程序做进一步优化:

private static class SingletonFactory{         
        private static Singleton instance = new Singleton();         
    }         
    public static Singleton getInstance(){         
        return SingletonFactory.instance;         
    } 

实际情况是,单例模式使用内部类来维护单例的实现,JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候,这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候,JVM能够帮我们保证instance只被创建一次,并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕,这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制,这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式:

public class Singleton {

	/* 私有构造方法,防止被实例化 */
	private Singleton() {
	}

	/* 此处使用一个内部类来维护单例 */
	private static class SingletonFactory {
		private static Singleton instance = new Singleton();
	}

	/* 获取实例 */
	public static Singleton getInstance() {
		return SingletonFactory.instance;
	}

	/* 如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致 */
	public Object readResolve() {
		return getInstance();
	}
}

其实说它完美,也不一定,如果在构造函数中抛出异常,实例将永远得不到创建,也会出错。所以说,十分完美的东西是没有的,我们只能根据实际情况,选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现:因为我们只需要在创建类的时候进行同步,所以只要将创建和getInstance()分开,单独为创建加synchronized关键字,也是可以的:

public class SingletonTest {

	private static SingletonTest instance = null;

	private SingletonTest() {
	}

	private static synchronized void syncInit() {
		if (instance == null) {
			instance = new SingletonTest();
		}
	}

	public static SingletonTest getInstance() {
		if (instance == null) {
			syncInit();
		}
		return instance;
	}
}

考虑性能的话,整个程序只需创建一次实例,所以性能也不会有什么影响。

补充:采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

public class SingletonTest {

	private static SingletonTest instance = null;
	private Vector properties = null;

	public Vector getProperties() {
		return properties;
	}

	private SingletonTest() {
	}

	private static synchronized void syncInit() {
		if (instance == null) {
			instance = new SingletonTest();
		}
	}

	public static SingletonTest getInstance() {
		if (instance == null) {
			syncInit();
		}
		return instance;
	}

	public void updateProperties() {
		SingletonTest shadow = new SingletonTest();
		properties = shadow.getProperties();
	}
}

通过单例模式的学习告诉我们:
1、单例模式理解起来简单,但是具体实现起来还是有一定的难度。
2、synchronized关键字锁定的是对象,在用的时候,一定要在恰当的地方使用(注意需要使用锁的对象和过程,可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁)。
到这儿,单例模式基本已经讲完了,结尾处,笔者突然想到另一个问题,就是采用类的静态方法,实现单例模式的效果,也是可行的,此处二者有什么不同?
首先,静态类不能实现接口。(从类的角度说是可以的,但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法,所以即使实现了也是非静态的)
其次,单例可以被延迟初始化,静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载,是因为有些类比较庞大,所以延迟加载有助于提升性能。
再次,单例类可以被继承,他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static,无法被覆写。
最后一点,单例类比较灵活,毕竟从实现上只是一个普通的Java类,只要满足单例的基本需求,你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能,但是静态类不行。从上面这些概括中,基本可以看出二者的区别,但是,从另一方面讲,我们上面最后实现的那个单例模式,内部就是用一个静态类来实现的,所以,二者有很大的关联,只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合,才能造就出完美的解决方案,就像HashMap采用数组+链表来实现一样,其实生活中很多事情都是这样,单用不同的方法来处理问题,总是有优点也有缺点,最完美的方法是,结合各个方法的优点,才能最好的解决问题!

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