23种设计模式之单例(Singleton)模式

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设计模式类型

  • 创建型模式:单例模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式、工厂模式。
  • 结构型模式:适配器模式、桥接模式、装饰模式、组合模式、外观模式、享元模式、代理模式。
  • 行为型模式:模板方法模式、命令模式、访问者模式、迭代器模式、观察者模式、中介者模式、备忘录模式、解释器模式(Interpreter模式)、状态模式、策略模式、职责链模式(责任链模式)。

1、定义

所谓的单例模式,就是采取一定的方法保证在整个的软件系统中,对某个类只能存在一个对象实例,并且该类只提供一个取得其对象实例的方法(静态方法)。比如,Hibernate的SessionFactory,它充当数据存储源的代理,并负责创建Session对象。SessionFactory并不是轻量级的,一般情况下,一个项目通常只需要一个SessionFactory就够了,这就会使用到单例模式。

2、方式

2.1 饿汉式(线程安全)
public class Singleton {

    // 1、构造器私有化,防止new
    private Singleton(){
    }
    
    // 2、类内部创建对象实例
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    
    // 3、提供一个公有的静态方法,返回实例对象
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

优缺点:

  • 优点:这种写法比较简单,就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
  • 缺点:在类装载的时候就完成实例化,没有带到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例,则会造成内存的浪费。
  • 这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题,不过,instance在类装载时就实例化,在单例模式中大多数都是调用getInstance方法,但是导致类装载的原因有很多种,因此不能确定有其他的方式(或者其他的静态方法)导致类装载,这时候初始化instance就没有达到Lazy Loading的效果。 *结论:这种方式可用,但是造成内存浪费。
2.2 懒汉式(线程不安全)
public class Singleton {
    
    private Singleton() {
    }
    
    private static Singleton instance;
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点:

  • 起到了Lazy Loading的效果,但是只能在单线程下使用。
  • 如果在多线程下,一个线程进入了if(singleton == null)判断语句块,还未来得急往下执行,另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。
  • 结论:在实际开发中,不要使用这种方式。
2.3 懒汉式(线程安全)
public class Singleton {
    
    private Singleton() {
    }
    
    private static Singleton instance;
    
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

优缺点:

  • 解决了线程安全问题。
  • 效率太低了,每个线程在想获取类的实例时候,执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了,后面的想获得该类实例,直接return就行了。方法进行同步效率太低。
  • 结论:在实际开发中,不推荐使用这种方式。
2.4 双层检查

双重检验锁模式(double checked locking pattern),是一种同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁,因为会有两次检查instance == null,一次是在同步块外,一次是在同步块内。为什么在同步块内还要在检验一次?因为可能会有多个线程一起进行同步块外的if,如果在同步块内不进行二次检查的话就会生成多个实例了。

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }
    
    private static Singleton instance;

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

这段代码看起来很完美,很可惜,它是有问题的。主要在于instance = new Singleton()这句,这并非是一个原子操作,事实上在JVM中这句话大概做了下面3件事。

1) 给instance分配内存。

2) 调用Singleton的构造函数来初始化成员变量。

3)将instance对象指向分配的内存空间(执行完这步instance就为非null了)。

但是在JVM的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的,最终的执行顺序可能是1-2-3,也可能是1-3-2。但是在3执行完毕、2未执行之前,被线程二抢占了,这时instance已经是非null了(但却没有初始化),所以线程二会直接返回instance,然后使用,最后顺理成章地报错。

解决方法:将instance变量声明成volatile就可以了

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

有些人认为使用volatile的原因是可见性,也就是可以保证线程在本地不会存有instance的副本,每次都是去主内存读取。但其实是不对的。使用volitile的主要原因是其另一个特性:禁止指令重排序优化。也就是说,在volatile变量的赋值操作后面会有一个内存屏障(生成的汇编代码上),读操作不会被重排序到内存屏障之前。比例上面的例子,取操作必须在执行完1-2-3之后或者1-3-2之后,不存在执行到1-3然后取到值的情况。从[先行发生原则]的角度理解的话,也就是对于一个volatile变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作(这里的“后面”是时间上的先后顺序)。

但是特别注意在Java 5以前的版本使用volatile的双检锁还是有问题的。其原因是Java 5以前的JMM(Java内存模型)是存在缺陷的,即时将变量声明成volatile也不能完全避免重排序,主要是volatitle变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个volatile屏蔽重排序的问题在Java 5中才得以修复,所以在这之后才可以放心使用volatile。

优缺点:

  • Double-Check概念是多线程开发中常使用到的,如代码中所示,我们进行了两次if(singleton == null)检查,这样就可以保证线程安全了。
  • 这样,实例化代码只用执行一次,后面再次访问时,判断if(singleton == null),直接return实例化对象,也避免的反复进行方法同步。
  • 线程安全;延迟加载;效率较高。
  • 结论:在实际开发中,推荐使用这种方式。
2.5 静态内部类
public class Singleton {
    
    private Singleton() {
    }
    
    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

优缺点:

  • 这种方式采用了类装载的机制来保证初始化实例时只用一个线程。
  • 静态内部类方式在SIngleton类被装载时并不会立即实例化,而是在需要实例化时,调用getInstance方法,才会装载SingletonInstance类,从而完成Singleton的实例化。
  • 类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,所以在这里,JVM帮助我们保证了线程的安全性,在类进行初始化时,别的线程是无法进入的。
  • 优点:避免了线程不安全,利用静态内部类特点实现延迟加战,效率高。
  • 结论:推荐使用。
2.6 枚举
public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

优缺点:

  • 这借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题,而且还能防止反序列化重新创建新的对象。
  • 这种方式是Effective Java作者Josh Blocj提倡的方式。
  • 结论:推荐使用。

3、应用场景

  • windows的Task Manager(任务管理器)就是典型的单例模式。
  • windows的 Recycle Bin(回收站)。
  • 网络的计数器,一般也是采用单例模式实现,否则难以同步。
  • 应用程序的日志应用,一般都何用单例模式实现,这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态,因为只能有一个实例去操作,否则内容不好追加。
  • Web应用的配置对象的读取,一般也应用单例模式,这个是由于配置文件是共享的资源。
  • 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式,因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池,主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗,这种效率上的损耗还是非常昂贵的,因为何用单例模式来维护,就可以大大降低这种损耗。
  • 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式,这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。
  • 操作系统的文件系统,也是大的单例模式实现的具体例子,一个操作系统只能有一个文件系统。
  • HttpApplication 也是单位例的典型应用。熟悉ASP.Net(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式,所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例.

4、在JDK中的应用

Runtime.class使用单例模式的代码:

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object.
     *
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}
}

5、注意事项和细节

  • 当想实例化一个单例类的时候,必须要记住使用相应的获取对象的方法,而不是使用new。
  • 只能使用单例类提供的方法得到单例对象,不要使用反射,否则将会实例化一个新对象。
  • 不要做断开单例类对象与类中静态引用的危险操作。
  • 多线程使用单例使用共享资源时,注意线程安全问题。
  • 单例模式使用的场景:需要频繁的进行创建和销毁的对象;创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即:重量级对象),但又经常用到的对象;有状态的工具类对象;频繁访问数据库或文件的对象(比如:数据源、session工厂等)。