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Java语言中单例模式的四种写法

相见欢
 相见欢
发布于 2013/02/03 16:48
字数 2256
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作为设计模式理论中的Helloworld,相信学习java语言的人,都应该听说过单例模式。单例模式作为对象的一种创建模式,它的作用是确保某一个类在整个系统中只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

由此可见,单例模式具有以下的特点:

  1. 单例类只能有一个实例。
  2. 单例类必须自己创建自己的唯一的实例。
  3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

由于Java语言的特点,使得单例模式在Java语言的实现上有自己的特点。这些特点主要表现在单例类如何将自己实例化。

饿汉式单例类

饿汉式单例类是在Java语言里实现起来最为简便的单例类。其源代码如下:

public class EagerSingleton {

	/** 通过静态变量初始化的类实例 */
	private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

	/**
	 * 私有的默认构造子
	 */
	private EagerSingleton() {
	}

	/**
	 * 获取唯一类实例的静态工厂方法
	 * 
	 * @return
	 */
	public static EagerSingleton getInstance() {
		return instance;
	}

}

由Java语言类的初始化顺序可知,在这个类被加载时,静态变量会被初始化,此时类的私有构造子会被调用。这时候,单例类的唯一实例就被创建出来了。

Java语言中单例类的一个最重要的特点是类的构造子是私有的,从而避免外界使用构造子直接创建出任意多该类的实例。值得指出的是,由于构造子是私有的,因此该类不能被继承。

懒汉式单例类

与饿汉式单例类相同之处是,懒汉式单例类的构造子也是私有的。而与饿汉式单例类不同的是,懒汉式单例类在第一次被引用时将自己实例化。在懒汉式单例类被加载时,不会将自己实例化。其源代码如下所示:

public class LazySingleton {

	/**
	 * 此时静态变量不能声明为final,因为需要在工厂方法中对它进行实例化
	 */
	private static LazySingleton instance;

	/**
	 * 私有构造子,确保无法在类外实例化该类
	 */
	private LazySingleton() {
	}

	/**
	 * synchronized关键字解决多个线程的同步问题
	 */
	public static synchronized LazySingleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new LazySingleton();
		}
		return instance;
	}

}

静态工厂方法中synchronized关键字提供的同步是必须的,否则当多个线程同时访问该方法时,无法确保获得的总是同一个实例。然而我们也看到,在所有的代码路径中,虽然只有第一次引用的时候需要对instance变量进行实例化,但是synchronized同步机制要求所有的代码执行路径都必须先获取类锁。在并发访问比较低时,效果并不显著,但是当并发访问量上升时,这里有可能会成为并发访问的瓶颈。

如果本文言尽于此,那实在没什么写的必要,因为以上介绍的知识,你可以从任何一本介绍单例模式的书查得到。下面我们来看看,为了降低线程同步的开销,从懒汉式单例模式中引申出来的两种很有意思的单例模式写法。

延长初始化占位

这种单例模式的写法,是著名的《Java Concurrency in Practice》一书中介绍对象的安全发布时介绍的。我们先来看它的源代码。

public class ResourceFactory {

	private static class ResourceHolder {
		public static Resource resource = new Resource();
	}

	public static Resource getResource() {
		return ResourceHolder.resource;
	}

}

要理解上面这种单例类的写法,你需要先学习一些关于Java虚拟机如何初始化一个类的知识。

在java虚拟机中,类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括了:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)七个阶段。其中,验证、准备和解析三个部分统称为连接(Linking)。

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的,类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始,而解析阶段则不一定:它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(也被称为动态绑定或晚期绑定)。

什么情况下需要开始类加载的第一个阶段:加载。虚拟机规范中并没有进行强制约束,这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段,虚拟机规范则是严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行“初始化”(而加载、验证、准备自然需要在此之前开始):

1)遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时,如果类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。生成这四条字节码指令最常见的Java代码场景是:使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)的时候,以及调用一个类的静态方法的时候。

2)使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候,如果类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

3)当初始化一个类的时候,如果发现其父类还没有进行过初始化,则需要先触发其父类的初始化。

4)当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。

这四种场景中的行为称为对一个类进行主动引用,除此之外所有引用类的方式,都不会触发类的初始化,被称为被动引用。以下是三个例子:

1)通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化。

2)通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化。

3)常量在编译阶段会存入调用类的常量池,本质上没有直接引用到定义常量的类,因此不会触发定义常量的类的初始化。

(以上摘自《深入理解Java虚拟机》)

从上面介绍的知识可以知道,JVM将推迟ResourceHolder类的初始化,直到第一个代码访问路径调用getResource()方法。此时,由于ResourceHolder.resource是一个读取静态字段的主动引用,虚拟机将第一次加载ResourceHolder类,并且通过一个静态变量来初始化Resource实例。而其他访问getResource()方法的代码路径,并不需要同步。

不需要额外的同步,但是又能确保对象可见性的正确发布,这是由Java的虚拟机规范所决定的!上面这种单例模式的写法,体现出对虚拟机规范的深刻理解,实在是专家级别的写法。

用读写锁编写的单例模式

在阅读Struts2源码的时候,我发现一个有意思的单例类写法:LoggerFactory。这里和大家分享一下,先看一下源码。

package com.opensymphony.xwork2.util.logging;

import com.opensymphony.xwork2.util.logging.jdk.JdkLoggerFactory;

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

/**
 * Creates loggers.  Static accessor will lazily try to decide on the best factory if none specified.
 */
public abstract class LoggerFactory {
    
    private static final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
    private static LoggerFactory factory;
    
    public static void setLoggerFactory(LoggerFactory factory) {
        lock.writeLock().lock();
        try {
            LoggerFactory.factory = factory;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
            
    }
    
    public static Logger getLogger(Class<?> cls) {
        return getLoggerFactory().getLoggerImpl(cls);
    }
    
    public static Logger getLogger(String name) {
        return getLoggerFactory().getLoggerImpl(name);
    }
    
    protected static LoggerFactory getLoggerFactory() {
        lock.readLock().lock();
        try {
            if (factory != null) {
                return factory;
            }
        } finally {
            lock.readLock().unlock();
        }
        lock.writeLock().lock();
        try {
            if (factory == null) {
                try {
                    Class.forName("org.apache.commons.logging.LogFactory");
                    factory = new com.opensymphony.xwork2.util.logging.commons.CommonsLoggerFactory();
                } catch (ClassNotFoundException ex) {
                    // commons logging not found, falling back to jdk logging
                    factory = new JdkLoggerFactory();
                }
            }
            return factory;
        }
        finally {
            lock.writeLock().unlock();
        }
    }
    
    protected abstract Logger getLoggerImpl(Class<?> cls);
    
    protected abstract Logger getLoggerImpl(String name); 

}
它是一个抽象类,来看一个具体的实现类:CommonsLoggerFactory。

package com.opensymphony.xwork2.util.logging.commons;

import com.opensymphony.xwork2.util.logging.Logger;
import com.opensymphony.xwork2.util.logging.LoggerFactory;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;

/**
 * Creates commons-logging-backed loggers
 */
public class CommonsLoggerFactory extends LoggerFactory {

    @Override
    protected Logger getLoggerImpl(Class<?> cls) {
        return new CommonsLogger(LogFactory.getLog(cls));
    }
    
    @Override
    protected Logger getLoggerImpl(String name) {
        return new CommonsLogger(LogFactory.getLog(name));
    }

}

可以看到,在大多数的代码路径下,getLoggerFactory()方法用可重入的读锁来进行同步。只在第一次访问时,使用了可重入的写锁来进行同步,进行factory对象的初始化。因为在写锁还没释放的时候,任何读锁的获取都会被阻塞,这样就保证了所发布的factory对象的可见性。

这里的代码,很容易就可以被改造成一个单例模式的写法。通过非阻塞的读写锁,避免了懒汉式单例类中所有代码访问路径都必须先获得类锁的弊端。

© 著作权归作者所有

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评论(20)

N3verL4nd
N3verL4nd

引用来自“程璧”的评论

这里没有看懂,为什么这里其他访问getResource()方法的代码路径不许哟啊同步呢?
虚拟机保证的一个类只能被加载一次。
程璧
程璧
这里没有看懂,为什么这里其他访问getResource()方法的代码路径不许哟啊同步呢?
程璧
程璧
"从上面介绍的知识可以知道,JVM将推迟ResourceHolder类的初始化,直到第一个代码访问路径调用getResource()方法。此时,由于ResourceHolder.resource是一个读取静态字段的主动引用,虚拟机将第一次加载ResourceHolder类,并且通过一个静态变量来初始化Resource实例。而其他访问getResource()方法的代码路径,并不需要同步。"
hebad
hebad

引用来自“xpbug”的评论

在新版的effective java中,推荐使用enum来定义单例.
挺赞的。
kukaqin
kukaqin
能 mark一下吗
sesamefox
sesamefox
你们会不会觉得osc手机客服端,复制粘贴功能不好用
LeeDamon
LeeDamon

引用来自“相见欢”的评论

引用来自“LeeDamon”的评论

LoggerFactory.getLoggerFactory()这个方法每次都有一小段时间要拿到写锁,在高并发的时候,性能肯定不好。Effective Java关于Enum的使用写得很详细,推荐看一看,虽然我看完现在又忘得差不多了,囧rz

不是的,只在第一次初始化对象时需要获取写锁,后面的都是读锁

对喔,没看仔细有个return
相见欢
相见欢

引用来自“LeeDamon”的评论

LoggerFactory.getLoggerFactory()这个方法每次都有一小段时间要拿到写锁,在高并发的时候,性能肯定不好。Effective Java关于Enum的使用写得很详细,推荐看一看,虽然我看完现在又忘得差不多了,囧rz

不是的,只在第一次初始化对象时需要获取写锁,后面的都是读锁
LeeDamon
LeeDamon
LoggerFactory.getLoggerFactory()这个方法每次都有一小段时间要拿到写锁,在高并发的时候,性能肯定不好。Effective Java关于Enum的使用写得很详细,推荐看一看,虽然我看完现在又忘得差不多了,囧rz
华兹格
华兹格

引用来自“相见欢”的评论

引用来自“hanzhankang”的评论

茴香豆的茴字有几种写法?^o^

那这世上,鲜花又有多少种颜色?你不一一欣赏过,怎知道这世界之美呢?我并不是在做什么考究,只是在体会和介绍编程世界中的诸多变幻和缤纷多彩。如果你已经彻底理解错这篇文章的意思,那也就笑笑算了吧。

哈哈…恰恰相反,我今天早上也写了几乎类似的关于单列模式的博客,你可以去看看:-)
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