「大冰撸设计模式」java 创建型模式之单例模式

WEB攻城狮大冰 2017-02-13 07:00

今天起，笔者开始撸java和javascript的设计模式，先从java开始写起，再从java的设计模式中提取思想和方法，应用到javascript中，有兴趣的码友可以关注笔者，一起交流，共同进步。

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单例模式

单例模式是常见的一种设计模式，在java应用中，单例模式可以保证某个对象在jvm中只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

1. 某些类创建的过程比较繁琐，使用单例模式可以节省一大笔系统开销

2. 省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力

3. 作为通信媒介使用，也就是数据共享，它可以在不建立直接关联的条件下，让多个不相关的两个线程或者进程之间实现通信。
   

只要有点java面向对象基础的都知道，将对象的静态实例和构造方法私有化，只提供一个公共的getInstasnce()方法来获取静态实例即可。看起来挺容易，但是实现起来还是有很多细节和难点需要考虑的。请看下图，首先我们先写一个简单的单例类：

单例模式

这个类可以满足基本的要求，但是，像这种没有线程安全保护的类，一旦把它放入多线程的环境，肯定就会出问题了，该怎么解决呢？我们首先想到的肯定是对getInstance加synchronized关键字，如下：

线程安全的getInstance方法

这样做，可以做到线程安全了，但是，synchrozed锁住的是这个对象，在getInstance方法上加synchronized，在性能上会有所下降。因为每次调用getInstance方法，都要在对对象上锁。而事实上，我们只需要在第一次创建对象的时候对对象上锁，之后就不需要了。所以，这个地方需要改进，我们可以改成下面这个：

性能较好的线程安全的getInstance方法

好了，我们已经解决了我们能想到的问题了，既解决了线程安全问题，又解决了性能问题。然而，我们万万没想到，JVM还给我们埋了一个坑。在java指令中，创建对象和赋值是分两步进行的，也就是说上图第17行的instance = new Singleton()是分两步执行的。但是JVM并不保证哪一步先执行，也就是说这两个操作的先后顺序是不能保证的。有可能JVM会先为新的Singleton实例分配空间，赋值给instance成员变量，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

1. A、B线程同时进入了第一个if判断

2. A首先进入synchronized块，由于instance为null，此时执行instance = new Singleton();

3. 由于JVM的优化机制，JVM选择了先为Singleton实例分配了一个空白的空间并赋值给instance成员变量（注意此时JVM并未开始初始化这个实例），然后A线程离开了synchronized块。

4. B进入synchronized块，此时instance不为null，因此B马上离开了synchronized块。

5. 此时B打算使用Singleton实例，去发现它没有被初始化，于是错误就发生了。
   

由此可见，程序还是有可能发生错误的，其实程序在运行过程中是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对改程序做进一步优化：

使用内部静态类来维护单例的实现

如上图，使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance()的时候，JVM帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不必担心上面的问题了。同时，该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样也解决了低性能的问题。这样，我们暂时得到了一个近乎完美的单例模式：

近乎完美的单例模式

其实说它完美，也只是相对的，不是绝对，如果在Singleton的构造方法中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需在创建实例的时候进行加同步synchronized，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的，如下：

单独为创建方法加synchronized关键字

考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。

通过单例模式的学习告诉我们：

1. 单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。

2. synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。

到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？

首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）

其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。

再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。

最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！

此文是笔者在网上研究前辈写的文章，理解后写出，部分段落直接挪用了，文章出处：http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8194653

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