设计模式之单例模式

设计模式(Design pattern):

是一套被反复使用, 多数人知晓的, 经过分类遍目的,代码设计经验的总结.

 

目的:

使用设计模式是为了可重用代码, 让代码更容易被他人理解, 保证代码的可靠性

 

单例模式(Singleton): 

保证整个应用中某个实例有且只有一个

 

有些对象我们只需要一个: 配置文件, 工具类, 线程池, 缓存, 日志对象等.

如果创造出多个实例就会导致训多问题: 比如占用过多资源,不一致的结果等

 

单例模式三要素:

1. 静态的私有的本类型的变量

2. 构造方法私有化

3. 提供一个公共的静态的入口点方法

//第一种: 饿汉式  public class SingletonParrent01 {      public static void main(String[] args){          Singleton s1 = Singleton.getInstance();          Singleton s2 = Singleton.getInstance();          System.out.println(s1 == s2);      }   class Singleton{            private Singleton(){}            private static Singleton instance = new Singleton();;            public static Singleton getInstance(){          return instance;     }  } 

类加载阶段创建对象, 并且只创建一次

不好处, 无论这个类是否被使用,都会创建. 所以很多创建过程是无用的.

//第二种: 懒汉式lazy loaded   public class SingletonParrent2 {      public static void main(String[] args){          Singleton s1 = Singleton.getInstance();          Singleton s2 = Singleton.getInstance();          System.out.println(s1 == s2);          System.out.println(s1);          System.out.println(s2);      }  }    class Singleton{      private Singleton(){}      private static Singleton instance;      public static Singleton getInstance(){          if(instance == null)              instance = new Singleton();                    return instance;      }  }  

上面的代码很清楚，也很简单。然而就像那句名言：“80%的错误都是由20%代码优化引起的”。单线程下，这段代码没有什么问题，可是如果是多线程，麻烦就来了。

 

我们来分析一下：

线程A希望使用Singleton，调用getInstance()方法。因为是第一次调用，A就发现instance是null的，于是它开始创建实例，就在这个时候，CPU发生时间片切换，线程B开始执行，它要使用Singleton，调用getInstance()方法，同样检测到instance是null——注意，这是在A检测完之后切换的，也就是说A并没有来得及创建对象——因此B开始创建。B创建完成后，切换到A继续执行，因为它已经检测完了，所以A不会再检测一遍，它会直接创建对象。这样，线程A和B各自拥有一个Singleton的对象——单例失败！

所以懒汉式是线程不安全的. 

 

所以,我们用加锁来试一下.

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

这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了

 

但是不管是否为Null, 只要调用getInstance()方法, 都会进入synchronized同步代码块, 速度会很慢. 性能很低.让我们来分析一下，究竟是整个方法都必须加锁，还是仅仅其中某一句加锁就足够了？我们为什么要加锁呢？分析一下出现lazy loaded的那种情形的原因。原因就是检测null的操作和创建对象的操作分离了。如果这两个操作能够原子地进行，那么单例就已经保证了。于是，我们开始修改代码：

//double-checked locking  public class Singleton {         private static Singleton instance = null;         public static Singleton getInstance() {           if (instance == null) {               synchronized (Singleton.class) {                   if (instance == null) {                       instance = new Singleton();                   }               }           }           return instance;           }         private Singleton() {         }   }  

首先判断instance是不是为null，如果为null，加锁初始化；如果不为null，直接返回instance。

从源头检查:

下面我们开始说编译原理。所谓编译，就是把源代码“翻译”成目标代码——大多数是指机器代码——的过程。针对Java，它的目标代码不是本地机器代码，而是虚拟机代码。编译原理里面有一个很重要的内容是编译器优化。所谓编译器优化是指，在不改变原来语义的情况下，通过调整语句顺序，来让程序运行的更快。这个过程成为reorder。要知道，JVM只是一个标准，并不是实现。JVM中并没有规定有关编译器优化的内容，也就是说，JVM实现可以自由的进行编译器优化。

 

下面来想一下，创建一个变量需要哪些步骤呢？

一个是申请一块内存，调用构造方法进行初始化操作，另一个是分配一个指针指向这块内存。这两个操作谁在前谁在后呢？JVM规范并没有规定。那么就存在这么一种情况，JVM是先开辟出一块内存，然后把指针指向这块内存，最后调用构造方法进行初始化。

 

下面我们来考虑这么一种情况：线程A开始创建SingletonClass的实例，此时线程B调用了getInstance()方法，首先判断instance是否为null。按照我们上面所说的内存模型，A已经把instance指向了那块内存，只是还没有调用构造方法，因此B检测到instance不为null，于是直接把instance返回了——问题出现了，尽管instance不为null，但它并没有构造完成，就像一套房子已经给了你钥匙，但你并不能住进去，因为里面还没有收拾。此时，如果B在A将instance构造完成之前就是用了这个实例，程序就会出现错误了！

 

 

解决方案:

说了这么多，难道单例没有办法在Java中实现吗？其实不然！在JDK 5之后，Java使用了新的内存模型。volatile关键字有了明确的语义——在JDK1.5之前，volatile是个关键字，但是并没有明确的规定其用途——被volatile修饰的写变量不能和之前的读写代码调整，读变量不能和之后的读写代码调整！因此，只要我们简单的把instance加上volatile关键字就可以了。

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

而，这只是JDK1.5之后的Java的解决方案，那之前版本呢？其实，还有另外的一种解决方案，并不会受到Java版本的影响：

/*     静态内部类方式 */  public class Singleton {           private static class SingletonInstance {       private static final Singleton instance = new Singleton();     }       public static Singleton getInstance() {       return SingletonInstance.instance;     }       private Singleton() {       }         } 

在这一版本的单例模式实现代码中，我们使用了Java的静态内部类。这一技术是被JVM明确说明了的，因此不存在任何二义性。在这段代码中，因为SingletonClass没有static的属性，因此并不会被初始化。直到调用getInstance()的时候，会首先加载SingletonClassInstance类，这个类有一个static的SingletonClass实例，因此需要调用SingletonClass的构造方法，然后getInstance()将把这个内部类的instance返回给使用者。由于这个instance是static的，因此并不会构造多次。

由于SingletonClassInstance是私有静态内部类，所以不会被其他类知道，同样，static语义也要求不会有多个实例存在。并且，JSL规范定义，类的构造必须是原子性的，非并发的，因此不需要加同步块。同样，由于这个构造是并发的，所以getInstance()也并不需要加同步。

至此，我们完整的了解了单例模式在Java语言中的时候，提出了两种解决方案。个人偏向于第二种，并且Effiective Java也推荐的这种方式。

几个例子:

/*  * 单例模式管理用户  * */  public class UserManager {            private  static UserManager instance = new UserManager();            private UserManager(){}            public static UserManager getInstance(){          return instance;      }    } /*    封装数据库操作 */  public final class DbHelper {        private static DbHelper instance = null;         public static DbHelper getInstance() {          if (instance == null) {              // 给类加锁 防止线程并发              synchronized (DbHelper.class) {                  if (instance == null) {                      instance = new DbHelper();                  }              }          }          return instance;      }         private DbHelper() {}         // 获得连接getConnection()        // 关闭连接close()            //...  }