《设计模式》之单例模式

时间  2019-12-25
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        首先要解释一下什么是延迟加载，延迟加载就是等到真真使用的时候才去建立实例，不用时不要去建立。html

        从速度和反应时间角度来说，非延迟加载（又称饿汉式）好；从资源利用效率上说，延迟加载（又称懒汉式）好。安全

下面看看几种常见的单例的设计方式：框架

第一种：非延迟加载单例类函数

Java代码 测试

  1. public class Singleton {  
  2.  private Singleton() {}  
  3.  private static final Singleton instance = new Singleton();  
  4.  public static Singleton getInstance() {  
  5.   return instance;  
  6.  }  
  7. }  

第二种：同步延迟加载this

Java代码 .net

  1. public class Singleton {  
  2.  private static Singleton instance = null;  
  3.  private Singleton() {}  
  4.  public static synchronized Singleton getInstance() {  
  5.   if (instance == null) {  
  6.    instance = new Singleton();  
  7.   }  
  8.   return instance;  
  9.  }  
  10. }  

第三种：双重检测同步延迟加载 
        为处理原版非延迟加载方式瓶颈问题，咱们须要对 instance 进行第二次检查，目的是避开过多的同步（由于这里的同步只需在第一次建立实例时才同步，一旦建立成功，之后获取实例时就不须要同获取锁了），但在Java中行不通，由于同步块外面的if (instance == null)可能看到已存在，但不完整的实例。JDK5.0之后版本若instance为volatile则可行：线程

Java代码 设计

  1. public class Singleton {  
  2.  private volatile static Singleton instance = null;  
  3.  private Singleton() {}  
  4.  public static Singleton getInstance() {  
  5.   if (instance == null) {  
  6.    synchronized (Singleton.class) {// 1  
  7.     if (instance == null) {// 2  
  8.      instance = new Singleton();// 3  
  9.     }  
  10.    }  
  11.   }  
  12.   return instance;  
  13.  }  
  14. }  

        双重检测锁定失败的问题并不归咎于 JVM 中的实现 bug，而是归咎于 Java 平台内存模型。内存模型容许所谓的“无序写入”，这也是失败的一个主要缘由。htm

无序写入：
        为解释该问题，须要从新考察上述清单中的 //3 行。此行代码建立了一个 Singleton 对象并初始化变量 instance 来引用此对象。这行代码的问题是：在 Singleton 构造函数体执行以前，变量 instance 可能成为非 null 的，即赋值语句在对象实例化以前调用，此时别的线程获得的是一个还会初始化的对象，这样会致使系统崩溃。
        什么？这一说法可能让您始料未及，但事实确实如此。在解释这个现象如何发生前，请先暂时接受这一事实，咱们先来考察一下双重检查锁定是如何被破坏的。假设代码执行如下事件序列：
一、线程 1 进入 getInstance() 方法。
二、因为 instance 为 null，线程 1 在 //1 处进入 synchronized 块。 
三、线程 1 前进到 //3 处，但在构造函数执行以前，使实例成为非 null。 
四、线程 1 被线程 2 预占。
五、线程 2 检查实例是否为 null。由于实例不为 null，线程 2 将 instance 引用返回给一个构造完整但部分初始化了的 Singleton 对象。 
六、线程 2 被线程 1 预占。
七、线程 1 经过运行 Singleton 对象的构造函数并将引用返回给它，来完成对该对象的初始化。

        为展现此事件的发生状况，假设代码行 instance =new Singleton(); 执行了下列伪代码：
mem = allocate();             //为单例对象分配内存空间.
instance = mem;               //注意，instance 引用如今是非空，但还未初始化
ctorSingleton(instance);    //为单例对象经过instance调用构造函数
这段伪代码不只是可能的，并且是一些 JIT 编译器上真实发生的。执行的顺序是颠倒的，但鉴于当前的内存模型，这也是容许发生的。JIT 编译器的这一行为使双重检查锁定的问题只不过是一次学术实践而已。

若是真像这篇文章：http://dev.csdn.net/author/axman/4c46d233b388419e9d8b025a3c507b17.html所说那样的话，1.2或之后的版本就不会有问题了，但这个规则是JMM的规范吗？谁可以确认一下。
确实,在JAVA2(以jdk1.2开始)之前对于实例字段是直接在主储区读写的.因此当一个线程对resource进行分配空间,
初始化和调用构造方法时,可能在其它线程中分配空间动做可见了,而初始化和调用构造方法尚未完成.

可是从JAVA2之后,JMM发生了根本的改变,分配空间,初始化,调用构造方法只会在线程的工做存储区完成,在没有
向主存储区复制赋值时,其它线程绝对不可能见到这个过程.而这个字段复制到主存区的过程,更不会有分配空间后
没有初始化或没有调用构造方法的可能.在JAVA中,一切都是按引用的值复制的.向主存储区同步其实就是把线程工做
存储区的这个已经构造好的对象有压缩堆地址值COPY给主存储区的那个变量.这个过程对于其它线程,要么是resource
为null,要么是完整的对象.绝对不会把一个已经分配空间却没有构造好的对象让其它线程可见.

另外一篇详细分析文章：http://www.iteye.com/topic/260515

第四种：使用ThreadLocal修复双重检测

借助于ThreadLocal，将临界资源（须要同步的资源）线程局部化，具体到本例就是将双重检测的第一层检测条件 if (instance == null) 转换为了线程局部范围内来做。这里的ThreadLocal也只是用做标示而已，用来标示每一个线程是否已访问过，若是访问过，则再也不须要走同步块，这样就提升了必定的效率。可是ThreadLocal在1.4之前的版本都较慢，但这与volatile相比倒是安全的。

Java代码 

  1. public class Singleton {  
  2.  private static final ThreadLocal perThreadInstance = new ThreadLocal();  
  3.  private static Singleton singleton ;  
  4.  private Singleton() {}  
  5.    
  6.  public static Singleton  getInstance() {  
  7.   if (perThreadInstance.get() == null){  
  8.    // 每一个线程第一次都会调用  
  9.    createInstance();  
  10.   }  
  11.   return singleton;  
  12.  }  
  13.   
  14.  private static  final void createInstance() {  
  15.   synchronized (Singleton.class) {  
  16.    if (singleton == null){  
  17.     singleton = new Singleton();  
  18.    }  
  19.   }  
  20.   perThreadInstance.set(perThreadInstance);  
  21.  }  
  22. }  

第五种：使用内部类实现延迟加载
为了作到真真的延迟加载，双重检测在Java中是行不通的，因此只能借助于另外一类的类加载加延迟加载：

Java代码 

  1. public class Singleton {  
  2.  private Singleton() {}  
  3.  public static class Holder {  
  4.   // 这里的私有没有什么意义  
  5.   /* private */static Singleton instance = new Singleton();  
  6.  }  
  7.  public static Singleton getInstance() {  
  8.   // 外围类能直接访问内部类（不论是否是静态的）的私有变量  
  9.   return Holder.instance;  
  10.  }  
  11. }  

单例测试

下面是测试单例的框架，采用了类加载器与反射。
注，为了测试单即是否为真真的单例，我本身写了一个类加载器，且其父加载器设置为根加载器，这样确保Singleton由MyClassLoader加载，若是不设置为根加载器为父加载器，则默认为系统加载器，则Singleton会由系统加载器去加载，但这样咱们没法卸载类加载器，若是加载Singleton的类加载器卸载不掉的话，那么第二次就不能从新加载Singleton的Class了，这样Class不能得加载则最终致使Singleton类中的静态变量从新初始化，这样就没法测试了。
下面测试类延迟加载的结果是可行的，一样也可用于其余单例的测试：

Java代码 

  1. public class Singleton {  
  2.  private Singleton() {}  
  3.   
  4.  public static class Holder {  
  5.   // 这里的私有没有什么意义  
  6.   /* private */static Singleton instance = new Singleton();  
  7.  }  
  8.   
  9.  public static Singleton getInstance() {  
  10.   // 外围类能直接访问内部类（不论是否是静态的）的私有变量  
  11.   return Holder.instance;  
  12.  }  
  13. }  
  14.   
  15. class CreateThread extends Thread {  
  16.  Object singleton;  
  17.  ClassLoader cl;  
  18.   
  19.  public CreateThread(ClassLoader cl) {  
  20.   this.cl = cl;  
  21.  }  
  22.   
  23.  public void run() {  
  24.   Class c;  
  25.   try {  
  26.    c = cl.loadClass("Singleton");  
  27.    // 当两个不一样命名空间内的类相互不可见时，可采用反射机制来访问对方实例的属性和方法  
  28.    Method m = c.getMethod("getInstance", new Class[] {});  
  29.    // 调用静态方法时，传递的第一个参数为class对象  
  30.    singleton = m.invoke(c, new Object[] {});  
  31.    c = null;  
  32.    cl = null;  
  33.   } catch (Exception e) {  
  34.    e.printStackTrace();  
  35.   }  
  36.  }  
  37. }  
  38.   
  39. class MyClassLoader extends ClassLoader {  
  40.  private String loadPath;  
  41.  MyClassLoader(ClassLoader cl) {  
  42.   super(cl);  
  43.  }  
  44.  public void setPath(String path) {  
  45.   this.loadPath = path;  
  46.  }  
  47.  protected Class findClass(String className) throws ClassNotFoundException {  
  48.   FileInputStream fis = null;  
  49.   byte[] data = null;  
  50.   ByteArrayOutputStream baos = null;  
  51.   
  52.   try {  
  53.    fis = new FileInputStream(new File(loadPath  
  54.      + className.replaceAll("\\.", "\\\\") + ".class"));  
  55.    baos = new ByteArrayOutputStream();  
  56.    int tmpByte = 0;  
  57.    while ((tmpByte = fis.read()) != -1) {  
  58.     baos.write(tmpByte);  
  59.    }  
  60.    data = baos.toByteArray();  
  61.   } catch (IOException e) {  
  62.    throw new ClassNotFoundException("class is not found:" + className,  
  63.      e);  
  64.   } finally {  
  65.    try {  
  66.     if (fis != null) {  
  67.      fis.close();  
  68.     }  
  69.     if (fis != null) {  
  70.      baos.close();  
  71.     }  
  72.   
  73.    } catch (Exception e) {  
  74.     e.printStackTrace();  
  75.    }  
  76.   }  
  77.   return defineClass(className, data, 0, data.length);  
  78.  }  
  79. }  
  80.   
  81. class SingleTest {  
  82.  public static void main(String[] args) throws Exception {  
  83.   while (true) {  
  84.    // 不能让系统加载器直接或间接的成为父加载器  
  85.    MyClassLoader loader = new MyClassLoader(null);  
  86.    loader  
  87.      .setPath("D:\\HW\\XCALLC16B125SPC003_js\\uniportal\\service\\AAA\\bin\\");  
  88.    CreateThread ct1 = new CreateThread(loader);  
  89.    CreateThread ct2 = new CreateThread(loader);  
  90.    ct1.start();  
  91.    ct2.start();  
  92.    ct1.join();  
  93.    ct2.join();  
  94.    if (ct1.singleton != ct2.singleton) {  
  95.     System.out.println(ct1.singleton + " " + ct2.singleton);  
  96.    }  
  97.    // System.out.println(ct1.singleton + " " + ct2.singleton);  
  98.    ct1.singleton = null;  
  99.    ct2.singleton = null;  
  100.    Thread.yield();  
  101.   }  
  102.  }  
  103. }  
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