Java设计模式——单例模式——全局唯一 节省资源

1. 场景

单例模式一个经典的应用场景就是数据库连接池的设计了。

因为频繁的建立/关闭数据库连接是比较消耗资源和时间的，所以可以设计一个池子，将使用完毕的空闲连接放入池中，等下次需要操作数据库时不用再次建立连接，直接从池中取出。

这个数据库连接池在整个程序运行期间只有一个实例，负责管理所有的数据库连接，实际上就是个单例。

单例模式，就是保证这个东西在一个周期（比如web服务器从启动到关闭的周期）只有一个具体实例的设计方法。

2. 简单实现

package org.demo.singleton;
/**
 * Mysql数据库连接池
 */
public class MysqlPool {
  /**
   * 保存单例的静态变量
   */
  private static MysqlPool instance = null;
  /**
   * 使用private修饰构造函数，防止使用new方法产生实例，保证只能从getInstance生产实例
   */
  private MysqlPool() {
    // 此处可以一次性建立10个数据库连接，然后放到数组/list里面
    System.out.println("此处弄了1个连接池");
  }
  /**
   * 通过该方法获取单例
   */
  public static MysqlPool getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new MysqlPool();
    }
    return instance;
  }
  /**
   * 测试入口
   */
  public static void main(String[] args) {
    MysqlPool pool1 = MysqlPool.getInstance();
    MysqlPool pool2 = MysqlPool.getInstance();
    System.out.println(pool1);
    System.out.println(pool2);
  }
}

运行结果如下，可见MysqlPool构造函数只运行了一次，仅生成了一个实例，下面打印pool1和pool2地址一样，也说明了pool1和pool2是一个对象。

此处弄了1个连接池

org.demo.singleton.MysqlPool@15db9742

org.demo.singleton.MysqlPool@15db9742

/

3. 简单实现的bug

看起来好像很合理，一个静态变量如果是null就创建，不是null直接获取，能保证只有一个实例。

实际上是有问题的，我们写下面的代码来让它出事：

package org.demo.singleton;
/**
 * 用于测试单例的线程
 */
public class SingletonTestThread extends Thread {
  @Override
  public void run() {
    MysqlPool pool=null;
    pool=MysqlPool.getInstance();
  }
  /**
   * 测试入口
   */
  public static void main(String[] args) {
    for(int i=0;i<100;i++) {
      Thread thread1 = new SingletonTestThread();
      thread1.start();
    }
  }
}

运行结果如下，可见生成了不止1个MysqlPool实例。

此处弄了1个连接池

此处弄了1个连接池

此处弄了1个连接池

此处弄了1个连接池

此处弄了1个连接池

此处弄了1个连接池

此处弄了1个连接池

此处弄了1个连接池

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哈哈，问题很简单，因为是多线程，所以在很短的一个时间内就有好几个线程执行了pool=MysqlPool.getInstance();，然后有好几个线程在做if (instance == null)，然后有8个线程在执行if (instance == null)时instance为null，也就是说多线程下并发代码运行的速度太快了，还没等到instance = new MysqlPool();执行完，一些其他的线程就进入if (instance == null) {}体内，导致最终实际上可不止生成了一个单例。

4. 多线程环境保持单例

之所以会出现问题，是因为多个线程在抢夺一个静态资源的时候，不讲规矩，不排队，乱来。

Java提供了synchronized关键字来保证一个方法同一个时刻只能有一个线程进入其中(synchronized功能比较复杂，此处不再深究)，所以修改下再测试：

/**

 * 通过该方法获取单例，注意通过添加synchronized实现排他机制，同一时刻一个线程进入

 */

public static synchronized MysqlPool getInstance() {

 if (instance == null) {

  instance = new MysqlPool();

 }

 return instance;

}

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测试结果：

此处弄了1个连接池

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5. 效率不咋地

OK，是不是觉得很好很强大了，非也非也，要知道世界上的事情都不完美，现在是排队了，可是效率呢。

简单的添加时间检测模块，同时把getInstance执行时间加长，我们来测下：

public class MysqlPool {
  /**
   * 保存单例的静态变量
   */
  private static MysqlPool instance = null;
  /**
   * 使用private修饰构造函数，防止使用new方法产生实例，保证只能从getInstance生产实例
   */
  private MysqlPool(){
    //此处可以一次性建立10个数据库连接，然后放到数组/list里面
  }
  /**
   * 通过该方法获取单例
   */
  public static synchronized MysqlPool getInstance() {//此处测试时分别有synchronized和无synchronized 
    try {//模拟耗时操作
      Thread.sleep(50);
    } catch (InterruptedException e) {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
    if (instance == null) {
      instance = new MysqlPool();
    }
    return instance;
  }
  /**
   * 测试入口
   */
  public static void main(String[] args) {
    MysqlPool pool=null;
    for(int i=0;i<100000;i++) {
      pool=MysqlPool.getInstance();
    }
  }
}
/**
 * 用于测试单例的线程
 */
public class SingletonTestThread extends Thread {
  private static long start = 0;
  @Override
  public void run() {
    MysqlPool pool = null;
    pool = MysqlPool.getInstance();
    System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
  }
  /**
   * 测试入口
   */
  public static void main(String[] args) {
    start = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
      Thread thread1 = new SingletonTestThread();
      thread1.start();
    }
  }
}

在没有加synchronized下测试3次，执行时间（最后一个线程结束时间减去开始时间）：

58、59、59

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加上synchronized测试3次：

5025、5026、5024

1

是不是瞬间觉得很恐怖了，确实效率太低了，就好比本来吃饭排队58秒现在5000秒，一个多小时啊，客户早就跑光了。

看来这样也不行啊。

6. 提高多线程下效率

上面已经解决了多线程下安全问题，但是程序运行速度也大大拖慢了，主要是getInstance方法在获取单例的时候存在耗时操作，导致很多线程堵在那里。

在真实的情况下，可能耗时操作这块业务是并不需要保证加锁的，而且有时候是不需要执行耗时操作的，我们将程序修改如下：

/**

* Mysql数据库连接池

*/

public class MysqlPool {

/**

 * 保存单例的静态变量

 */

private static MysqlPool instance = null;

/**

 * 使用private修饰构造函数，防止使用new方法产生实例，保证只能从getInstance生产实例

 */

private MysqlPool() {

 // 此处可以一次性建立10个数据库连接，然后放到数组/list里面

}

/**

 * 通过该方法获取单例

 */

public static MysqlPool getInstance() {// 此处测试时分别有synchronized和无synchronized

 if (instance == null) {//规避不必要的耗时操作

  try {

   // 模拟耗时操作

   Thread.sleep(50);

  } catch (Exception ex) {

  }

  synchronized(MysqlPool.class) {//仅对必须要保护的代码加锁

   if (instance == null) {

    instance = new MysqlPool();

   }

  }

 }

 return instance;

}

}

对上面的代码进行速度测试，发现时间回归正常水平。

/**

* 用于测试单例的线程

*/

public class SingletonTestThread extends Thread {

private static long start = 0;

@Override

public void run() {

 MysqlPool pool = null;

 pool = MysqlPool.getInstance();

 System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);

}

/**

 * 测试入口

 */

public static void main(String[] args) {

 start = System.currentTimeMillis();

 for (int i = 0; i < 100; i++) {

  Thread thread1 = new SingletonTestThread();

  thread1.start();

 }

}

}

可见实际上具体问题是要具体分析的，灵活的运用synchronized加锁才能取得安全和效率上的平衡。