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单例模式

陈小帽
 陈小帽
发布于 2014/03/16 21:30
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1.什么是单例模式?

Singleton的英文意思是单独,也就是一个人,应用在面向对象语言上,通常翻译成「单例」,单一的实例「Instance」。Singleton模式可以保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问这个实例的方法。

Java源码中就拥有许多的设计模式,其中Java.lang.Runtime类就实现了单例模式,每个Java程序运行时,都有唯一一个Runtime实例,透过静态方法getRuntime(),获得实例,例如:

Runtime runtime = Runtime.getRuntime();

Java.lang.Runtime类的部分源码:

2.单例模式解决什么需求?

当一个类被设计来管理共享资源的时候,我们仅需实例化一个对象,比方说:线程池、缓存、日志对象等等。如果new出多个实例,那么容易导致一些问题产生,如资源使用过量,程序异常,结果不一致等等。

举个栗子:当在一个Web应用中连接数据库的Connection对象,如果每次访问都new一个实例,那么当发生成千上万甚至更多的访问在短时间内并发,这将导致服务器资源的大量开销,因为对象不能被垃圾收集器及时的回收。但是,如果服务器对此仅实例化一次,每次Connection对象被使用后放回线程池,其他访问连接时继续使用它,便使得服务器性能大大的提升,这就是单例模式的实践。

3.单例模式的实现

VERSION 1:懒汉式之幼年期

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
    return singleton;
    }
}

上面这段代码中,关于Singletom模式的几个特点:

1.私有(private)的构造函数,表明这个类是不可能从外部形成实例了。

2.即然这个类是不可能形成实例,那么,我们需要一个静态的方式让其形成实例:getInstance()。

3.在getInstance()中,先做判断是否已形成实例,如果已形成则直接返回实例,否则创建实例。

4.所形成的实例保存在自己类中的私有成员中。

5.我们取实例时,仅需要使用Singleton.getInstance()就行了。

上面这段代码是有缺陷的,仅适合单线程情况。在多线程情况下,所有的全局共享的东西都会变得非常的危险,上述代码也一样,在多线程情况下,如果多个线程同时调用getInstance()的话,那么,可能会有多个进程同时通过 (singleton== null)的条件检查,于是,多个实例就创建出来,并且很可能造成内存泄露问题。


VERSION 2:懒汉式之成长期

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    
    private Singleton() {}

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

OK,既然可能产生多个线程通过 (singleton== null)的条件检查,那么我们将在VERSION 2中使用线程互斥或同步来避免产生多个实例,代码如上。

虽然使用synchronized方法会帮助我们同步所有线程,让并行的线程变成串行,一个一个地去new,但最终结果与VERSION 1无异,还是会出现很多实例。所以接下来需要将(singleton == null)条件也同步起来。


VERSION 3:懒汉式之成熟期

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

现在的代码已经不会出现多线程new出多个实例的情况了,可是稍有不足的是,所有调用getInstance()方法的线程都得同步。正常情况下,创建对象的动作仅有一次,后面的动作均是读取对象。如果每次读取对象需要经过线程同步,将会影响程序的性能,所以接下来更好方法是:在线程同步实例化对象之前,先进行(siglenton == null)的判断,如果不为空,则直接读取对象。


VERSION 4:懒汉式之完全体

public class Siglenton {
    private static Siglenton siglenton = null;
    
    private Siglenton() {}
    
    public static Siglenton getInstance() {
        if (siglenton == null) {
            synchronized (Siglenton.class) {
                if (siglenton == null) {
                    siglenton = new Siglenton();
                }
            }
        }
        return siglenton;
    }
}

好的,这个版本称为「双重检查Double-Check」。下面是说明:

1.第一个条件是说,如果实例创建了,那就不需要同步了,直接返回实例。

2.不然,我们就开始同步线程。

3.第二个条件是说,如果被同步的线程中,有一个线程创建了对象,那么别的线程无需再创建了。

这是稍微不错的单例模式,可是在一些极端的情况下还是会出问题,引用陈皓大叔说的:

无论你的代码写得有多好,其只能在特定的范围内工作,超出这个范围就要出Bug。


OK,那么最后,我们就不继续纠缠懒汉式的单例模式了。

关于单例模式的实现方式还有很多种,比如接下来展示的:饿汉式、静态内部类,枚举等等。


饿汉式:

public class Singleton {  
    private static Singleton singleton = new Singleton();  
    
    private Singleton() {}  
    
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  
}

静态内部类:

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton singleton = new Singleton();  
    }  
    
    private Singleton() {} 
     
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.sigleton;  
    }  
}

枚举:

public enum Singleton {  
    SINGLETON;  
    
    public void whateverMethod() {  
    }  
}



参考:

「1」:Double-checked locking: Clever, but broken

「2」:Difference between static class and singleton pattern?

「3」:深入浅出单实例Singleton设计模式

「4」:单例模式的七种写法


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