Java设计模式——单例模式——全局唯一 节省资源-阿里云开发者社区

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Java设计模式——单例模式——全局唯一 节省资源

简介: 本文目录 1. 场景 2. 简单实现 3. 简单实现的bug 4. 多线程环境保持单例 5. 效率不咋地 6. 提高多线程下效率
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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

1

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

1

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。

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