【java设计模式】之 单例(Singleton)模式-阿里云开发者社区

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【java设计模式】之 单例(Singleton)模式

简介:

1. 单例模式的定义

        单例模式(Singleton Pattern)是一个比较简单的模式,其原始定义如下:Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it. 即确保只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。单例模式的通用类如下图所示:


        Singleton类称为单例类,通过使用private的构造函数确保了在一个应用中只产生一个实例,并且是自行实例化的(在Singleton中自己new Singleton())。单例模式的通用代码如下(这种也称为饿汉式单例):

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  1. /****************** 单例模式:程序清单1 ***************************/  
  2. public class Singleton {  
  3.     private static Singleton instance = new Singleton(); //1.自己内部new一个  
  4.       
  5.     private Singleton() { //2.私有构造函数,防止被实例化  
  6.           
  7.     }  
  8.     //3.提供一个公共接口,用来返回刚刚new出来的对象  
  9.     public static Singleton getInstance() {   
  10.          return instance;  
  11.     }  
  12.       
  13.     public void test() {  
  14.         System.out.println("singleton");  
  15.     }  
  16. }  
  17. /********************************************************************/  

2. 单例模式存在的线程安全问题

        上面是一个经典的单例模式程序,且这个程序不会产生线程同步问题,因为类第一次加载的时候就初始化了instance。但是单例模式还有其他的实现方式,就有可能会出现线程同步问题,请看下面的例子:

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  1. /* 
  2.  * 这种方式就是非线程安全了(懒汉式单例) 
  3.  */  
  4. public class Singleton {  
  5.     private static Singleton instance = null;  
  6.     private Singleton() {  
  7.           
  8.     }  
  9.     public static Singleton getInstance() {  
  10.         if(instance == null) {  
  11.             instance = new Singleton();  
  12.         }  
  13.         return instance;  
  14.     }  
  15. }  

        为什么会出现线程安全问题呢?假如一个线程A执行到instance = new Singleton(),但还没有获得对象(对象的初始化是需要时间的),第二个线程B也在执行,执行到判断instance == null时,那么线程B获得的条件也是真,于是也进入实例化instance了,然后线程A获得了一个对象,线程B也获得了一个对象,在内存中就存在了两个对象了!

        解决线程安全问题的方法有很多,比如我们可以在getInstance()方法前面加上synchronized关键字来解决,如下:

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  1. public static synchronized Singleton getInstance() {    
  2.         if (instance == null) {    
  3.             instance = new Singleton();    
  4.         }    
  5.         return instance;    
  6. }   
        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()时都要对对象上锁。事实上,只要在第一次创建对象的时候加锁,后面创建完了就不需要了,所以我们可以做进一步的改进,如下:

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  1. public static Singleton getInstance() {    
  2.         if (instance == null) {    
  3.             synchronized (instance) {    
  4.                 if (instance == null) {    
  5.                     instance = new Singleton();    
  6.                 }    
  7.             }    
  8.         }    
  9.         return instance;    
  10. }  
        我们将synchronized关键字加到内部,也就是说当调用的时候是不需要加锁的,只有在instance == null的时候且创建对象的时候再加锁,这样要比上面的那种方式好。但是这种方式还是有可能会产生线程安全问题,因为JVM中创建对象和赋值操作是分开进行的,即instance = new Singleton()这句是分两步进行的。过程是这样的:JVM会为先给Singleton实例分配一个空白的内存,并赋值给instance成员,但是此时JVM并没有开始初始化这个实例,然后再去new一个Singleton对象赋给instance。这就会导致线程问题了,比如A线程进入synchronized代码块了,执行完了instance = new Singleton()后退出代码块,但是此时还没有真正初始化,这是线程B进来了,发现instance不为null,于是就立马返回该instance(其实是没有初始化好的),然后B就开始使用该instance,却发现没初始化,于是就出问题了。

        所以要解决这种“懒汉式”单例的线程问题,一种建议使用上面的程序清单1的方式,即使用”饿汉式“单例。另一种,在实际中,也可以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()方法的时候,JVM能够帮我们保证instance实例只被创建一次,并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕,见如下代码:

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  1. /****************** 单例模式:程序清单2 ****************************/  
  2. public class Singleton {      
  3.     private Singleton() {  //私有构造方法,防止被实例化  
  4.     }    
  5.     
  6.     /*使用一个内部类来维护单例 */    
  7.     private static class SingletonFactory {    
  8.         private static Singleton instance = new Singleton();    
  9.     }    
  10.     
  11.     public static Singleton getInstance() {  //获取实例  
  12.         return SingletonFactory.instance;    
  13.     }    
  14.     
  15.     /* 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 */    
  16.     public Object readResolve() {    
  17.         return getInstance();    
  18.     }     
  19. }  
  20. /********************************************************************/  

3.单例模式的克隆

        上面分析了单例模式的线程安全问题,还有个问题就是需要考虑单例模式中对象的复制问题。在Java中,对象默认是不可以被复制的,但是若实现了Cloneable接口,并实现了clone方法,则可以直接通过对象复制方式创建一个新对象,对象复制不是调用类的构造方法,所以即使是私有的构造方法,对象仍然是可以被复制的。但是在一般情况下,单例类很少会主动要求被复制的,所以解决该问题最好的方法就是单例类不要实现Cloneable接口即可。

4. 单例模式的扩展

        如果一个类可以产生多个对象且数量不受限制,是非常容易的,直接new就是了。但是如果使用单例模式,但是要求一个类真能产生两三个对象呢?这种情况该如何实现?针对这种情况,我们就需要在单例类中维护一个变量,用来表示实例的个数,而且还需要一些容器来保存不同的实例以及实例对应的属性,如下:

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  1. /*************************** 单例模式的扩展:程序清单3 ************************************/  
  2. public class Singleton {  
  3.     //定义最多能产生的实例数量  
  4.     private static int maxNumOfInstance = 3;  
  5.       
  6.     //存储每个实例的名字  
  7.     private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<String>();  
  8.       
  9.     //存储每个实例对象  
  10.     private static ArrayList<Singleton> instanceList = new ArrayList<Singleton>();  
  11.       
  12.     //当前实例的索引  
  13.     private static int indexOfInstance = 0;  
  14.       
  15.     //静态代码块,在类加载的时候初始化2个实例  
  16.     static {  
  17.         for(int i = 0; i < maxNumOfInstance; i++) {  
  18.             instanceList.add(new Singleton("instance" + (i+1)));  
  19.         }  
  20.     }  
  21.       
  22.     private Singleton() {  
  23.           
  24.     }  
  25.     private Singleton(String name) { //带参数的私有构造函数  
  26.         nameList.add(name);  
  27.     }  
  28.       
  29.     //返回实例对象  
  30.     public static Singleton getInstance() {  
  31.         Random random = new Random();  
  32.         //随机挑选一个实例  
  33.         indexOfInstance = random.nextInt(maxNumOfInstance);  
  34.         return instanceList.get(indexOfInstance);  
  35.     }  
  36.     public void test() {  
  37.         System.out.println(nameList.get(indexOfInstance));  
  38.     }  
  39. }  
  40. /******************************************************************************************/   
    我们写一个测试程序看看结果就知道了:

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  1. public class SingletonTest {  
  2.   
  3.     public static void main(String[] args) {  
  4.         int num = 5;  
  5.         for(int i = 0; i < num; i++) {  
  6.             Singleton instance = Singleton.getInstance();  
  7.             instance.test();  
  8.         }  
  9.     }  
  10. }  
    这样我们就实现了用单例模式产生固定数量的实例。测试结果输出如下:

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  1. instance1  
  2. instance1  
  3. instance2  
  4. instance3  
  5. instance3  

5. 单例模式的优缺点

      优点:

        1.在内存中只存在一个实例,所有减小诶村的开支,特别是一个对象需要频繁的创建和销毁时,而且创建或销毁时性能又无法优化,单例模式的优势就非常明显;

        2.减小了系统的性能开销,当一个对象的产生需要比较多的资源时,如读取配置、产生依赖对象时,则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象,然后用永久驻留在内存中。

        3.可以避免对资源的多重占用,如写文件动作,由于只有一个实例存在内存中,避免对同一个资源文件的同时写操作。

        4.单例模式可以在系统设置全局的访问点,优化和共享资源访问,例如可以设计一个单例类,负责所有数据表的映射处理。

      缺点:

        1.单例模式没有接口,扩展很难,若要扩展,除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现

       2.单例模式对测试是不利的,在并行开发环境中,如果单例模式没有完成,是不能进行测试的。

6. 单例模式的应用场景

      在一个系统中,要求一个类仅有一个对象时,可以采用单例模式:

        1. 要求生成唯一序列号的环境。

        2. 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据,例如一个web页面上的访问量,可以不用每次刷新都把记录存到数据库,但是要确保单例线程安全。

        3. 创建一个对象需要消耗的资源过多,如要访问IO和数据库等资源。

        4. 需要定义大量的静态常量和静态方法(如工具类)的环境,可以采用单例模式,当然也可以直接声明为static方式。

        spring中也用到了单例模式,每个Bean默认就是单例的,这样做的有点事Spring容器可以管理这些Bean的生命期,决定什么时候创建出来,什么时候销毁,销毁的时候要如何处理等等。如果采用非单例模式(Prototype类型),则Bean初始化后的管理交给J2EE容器了,Spring容器就不在跟踪管理Bean的生命周期了。

        单例模式就讨论这么多吧,如有错误之处,欢迎留言指正~

        相关阅读:http://blog.csdn.net/column/details/des-pattern.html


转载:http://blog.csdn.net/eson_15/article/details/51203993

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