Java的二十三种设计模式(单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式)(一)

简介: Java的二十三种设计模式(单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式)(一)

从这一块开始,我们详细介绍Java中23种设计模式的概念,应用场景等情况,并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。


创建型模式(5种):用于描述“怎样创建对象”,它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。


A、单例模式(Singleton)


单例(Singleton)模式:某个类只能生成一个实例,该类提供了一个全局访问点供外部获取该实例,其拓展是有限多例模式。


这样的模式有几个好处:


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。


省去了new操作符,降低了系统内存的使用频率,减轻GC压力。


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。


优点:只有一个实例,节约了内存资源,提高了系统性能


缺点:


   没有抽象层,不能扩展

   职责过重,违背了单一性原则


首先我们写一个简单的单例类:


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:


①:A、B线程同时进入了第一个if判断


②:A首先进入synchronized块,由于instance为null,所以它执行instance = new Singleton();


③: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。


④: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。


⑥: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();
  }
}
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