《JAVA与模式》之单例模式

时间 2019-12-10

标签 JAVA与模式模式栏目 Java 繁體版

原文原文链接

在阎宏博士的《JAVA与模式》一书中开头是这样描述单例模式的：java

　　做为对象的建立模式，单例模式确保某一个类只有一个实例，并且自行实例化并向整个系统提供这个实例。这个类称为单例类。缓存

单例模式的结构

　　单例模式的特色：安全

单例类只能有一个实例。
单例类必须本身建立本身的惟一实例。
单例类必须给全部其余对象提供这一实例。

　饿汉式单例类

public class EagerSingleton {
    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
    /**
     * 私有默认构造子
     */
    private EagerSingleton(){}
    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static EagerSingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

上面的例子中，在这个类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造子会被调用。这时候，单例类的惟一实例就被建立出来了。多线程

　　饿汉式实际上是一种比较形象的称谓。既然饿，那么在建立对象实例的时候就比较着急，饿了嘛，因而在装载类的时候就建立对象实例。并发

private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

　　饿汉式是典型的空间换时间，当类装载的时候就会建立类的实例，无论你用不用，先建立出来，而后每次调用的时候，就不须要再判断，节省了运行时间。性能

　　懒汉式单例类

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance = null;
    /**
     * 私有默认构造子
     */
    private LazySingleton(){}
    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static synchronized LazySingleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

上面的懒汉式单例类实现里对静态工厂方法使用了同步化，以处理多线程环境。
　　懒汉式实际上是一种比较形象的称谓。既然懒，那么在建立对象实例的时候就不着急。会一直等到立刻要使用对象实例的时候才会建立，懒人嘛，老是推脱不开的时候才会真正去执行工做，所以在装载对象的时候不建立对象实例。优化

private static LazySingleton instance = null;

　　懒汉式是典型的时间换空间,就是每次获取实例都会进行判断，看是否须要建立实例，浪费判断的时间。固然，若是一直没有人使用的话，那就不会建立实例，则节约内存空间spa

　　因为懒汉式的实现是线程安全的，这样会下降整个访问的速度，并且每次都要判断。那么有没有更好的方式实现呢？线程

　　双重检查加锁

　　可使用“双重检查加锁”的方式来实现，就能够既实现线程安全，又可以使性能不受很大的影响。那么什么是“双重检查加锁”机制呢？code

　　所谓“双重检查加锁”机制，指的是：并非每次进入getInstance方法都须要同步，而是先不一样步，进入方法后，先检查实例是否存在，若是不存在才进行下面的同步块，这是第一重检查，进入同步块事后，再次检查实例是否存在，若是不存在，就在同步的状况下建立一个实例，这是第二重检查。这样一来，就只须要同步一次了，从而减小了屡次在同步状况下进行判断所浪费的时间。

　　“双重检查加锁”机制的实现会使用关键字volatile，它的意思是：被volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，全部对该变量的读写都是直接操做共享内存，从而确保多个线程能正确的处理该变量。

　　注意：在java1.4及之前版本中，不少JVM对于volatile关键字的实现的问题，会致使“双重检查加锁”的失败，所以“双重检查加锁”机制只只能用在java5及以上的版本。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        //先检查实例是否存在，若是不存在才进入下面的同步块
        if(instance == null){
            //同步块，线程安全的建立实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在，若是不存在才真正的建立实例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种实现方式既能够实现线程安全地建立实例，而又不会对性能形成太大的影响。它只是第一次建立实例的时候同步，之后就不须要同步了，从而加快了运行速度。

　　提示：因为volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，因此运行效率并非很高。所以通常建议，没有特别的须要，不要使用。也就是说，虽然可使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例，但并不建议大量采用，能够根据状况来选用。

　　根据上面的分析，常见的两种单例实现方式都存在小小的缺陷，那么有没有一种方案，既能实现延迟加载，又能实现线程安全呢？

　　Lazy initialization holder class模式

　　这个模式综合使用了Java的类级内部类和多线程缺省同步锁的知识，很巧妙地同时实现了延迟加载和线程安全。

　　1.相应的基础知识

　什么是类级内部类？

　　简单点说，类级内部类指的是，有static修饰的成员式内部类。若是没有static修饰的成员式内部类被称为对象级内部类。

　　类级内部类至关于其外部类的static成分，它的对象与外部类对象间不存在依赖关系，所以可直接建立。而对象级内部类的实例，是绑定在外部对象实例中的。

　　类级内部类中，能够定义静态的方法。在静态方法中只可以引用外部类中的静态成员方法或者成员变量。

　　类级内部类至关于其外部类的成员，只有在第一次被使用的时候才被会装载。

　多线程缺省同步锁的知识

　　你们都知道，在多线程开发中，为了解决并发问题，主要是经过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。可是在某些状况中，JVM已经隐含地为您执行了同步，这些状况下就不用本身再来进行同步控制了。这些状况包括：

　　1.由静态初始化器（在静态字段上或static{}块中的初始化器）初始化数据时

　　2.访问final字段时

　　3.在建立线程以前建立对象时

　　4.线程能够看见它将要处理的对象时

　　2.解决方案的思路

　　要想很简单地实现线程安全，能够采用静态初始化器的方式，它能够由JVM来保证线程的安全性。好比前面的饿汉式实现方式。可是这样一来，不是会浪费必定的空间吗？由于这种实现方式，会在类装载的时候就初始化对象，无论你需不须要。

　　若是如今有一种方法可以让类装载的时候不去初始化对象，那不就解决问题了？一种可行的方式就是采用类级内部类，在这个类级内部类里面去建立对象实例。这样一来，只要不使用到这个类级内部类，那就不会建立对象实例，从而同时实现延迟加载和线程安全。

　　示例代码以下：

public class Singleton {
    
    private Singleton(){}
    /**
     *    类级的内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例
     *    没有绑定关系，并且只有被调用到时才会装载，从而实现了延迟加载。
     */
    private static class SingletonHolder{
        /**
         * 静态初始化器，由JVM来保证线程安全
         */
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

当getInstance方法第一次被调用的时候，它第一次读取SingletonHolder.instance，致使SingletonHolder类获得初始化；而这个类在装载并被初始化的时候，会初始化它的静态域，从而建立Singleton的实例，因为是静态的域，所以只会在虚拟机装载类的时候初始化一次，并由虚拟机来保证它的线程安全性。

　　这个模式的优点在于，getInstance方法并无被同步，而且只是执行一个域的访问，所以延迟初始化并无增长任何访问成本。

　　单例和枚举

　　按照《高效Java 第二版》中的说法：单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。用枚举来实现单例很是简单，只须要编写一个包含单个元素的枚举类型便可。

public enum Singleton {
    /**
     * 定义一个枚举的元素，它就表明了Singleton的一个实例。
     */
    
    uniqueInstance;
    
    /**
     * 单例能够有本身的操做
     */
    public void singletonOperation(){
        //功能处理
    }
}

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，并且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止屡次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。