java设计模式(四)--单例模式

 Singleton最熟悉不过了,下面学习单例模式。转载:http://zz563143188.iteye.com/blog/1847029

单例对象(Singleton)是一种常用的设计模式。在Java应用中,单例对象能保证在一个JVM中,该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处: 1、某些类创建比较频繁,对于一些大型的对象,这是一笔很大的系统开销。 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、有些类如交易所的核心交易引擎,控制着交易流程,如果该类可以创建多个的话,系统完全乱了。(比如一个军队出现了多个司令员同时指挥,肯定会乱成一团),所以只有使用单例模式,才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

 1.简单的单例

package com.test.java.designPattern.singleton;

/**
 * 单例模式
 * Created by mrf on 2016/2/27.
 */
public class Singleton {

    /*持有私有静态实例,防止被引用,此处赋值为null,目的是实现延迟加载*/
    private static Singleton instance = null;

    /*私有构造方法,防止被实例化*/
    private Singleton(){
    }

    /*静态工程方法,创建实例*/
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

    /*如果该对象用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致*/
    public Object readResolve(){
        return instance;
    }
}

这个类可以满足基本需求,但有线程安全问题,在多线程环境下,getInstance可能会创建多个。解决很简单,直接加synchronized就可以了:

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

但是,synchronized关键字锁住的是这个对象,这样的用法在性能上会有所下降,因为每次调用getInstance都要在对象上锁,事实上,只有第一次创建对象的时候需要加锁,之后就不需要了,所以,这个地方可以改进。如下:

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

这样似乎解决了之前提到的问题,将synchronized关键字加到了内部(注意上锁的是类对象而不是实例对象instance,否则nullpoint),也就是说当调用的时候是不需要加锁的,只有在instance为null,并创建对象的时候才需要加锁,性能上有一定的提升。但是,这样的情况,还是有可能有问题的。看下面的情况:

在Java指令中创建对象赋值操作是分开进行的,也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序,也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间,然后直接赋值给instance成员,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,所以它执行instance = new Singleton();
  3. 由于JVM内部的优化机制,JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存,并赋值给instance成员(注意此时JVM没有开始初始化这个实例),然后A离开了synchronized块。
  4. B进入synchronized块,由于instance此时不是null,因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
  5. 此时B线程打算使用Singleton实例,却发现它没有被初始化,于是错误发生了。

然而,我大概测试了几次,有时候会初始化2次甚至3次,代码:

/**
 * 单例模式
 * Created by mrf on 2016/2/27.
 */
public class Singleton {

    /*持有私有静态实例,防止被引用,此处赋值为null,目的是实现延迟加载*/
    private static Singleton instance = null;

    public int i = 0;

    /*私有构造方法,防止被实例化*/
    private Singleton(){
    }

    /*静态工程方法,创建实例*/
    public static  Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized(Singleton.class){
                System.out.println("创建初始化=================================================================================");
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }

    public void testInstance(){
//        instance.i = 2;
    }


    /**结果:
     * 我测试了多次,有时候会初始化两次
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    Singleton instance = Singleton.getInstance();
                    instance.testInstance();
                }
            }).start();
        }
    }

    /*如果该对象用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致*/
    public Object readResolve(){
        return instance;
    }

}

结果:

创建初始化=================================================================================
创建初始化=================================================================================

所以,程序还是可能发生错误,其实程序运行过程是很复杂的,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难。内存模型允许所谓的“无序写入”,这也是失败的一个主要原因。下一步,再优化:

单例模式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能够帮我们保证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,这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制,这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式:

/**
 * 改进,因为jvm创建instance这个实例也会出问题,创建变量和赋值是两个操作,顺序不定。
 */
class Singleton2{

    /*私有构造方法,防止被实例化*/
    private Singleton2(){
    }

    /*此处使用一个内部类来维护单例*/
    private static class SingletonFactory{
        private static Singleton2 instance = new Singleton2();
    }
    /*获取实例*/
    public static Singleton2 getInstance(){
        return SingletonFactory.instance;
    }


    /*如果该对象用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致*/
    public Object readResolve(){
        return getInstance();
    }

}

其实说它完美,也不一定,如果在构造函数中抛出异常,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:因为我们只需要在创建类的时候进行同步,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:

/**
 * 安全的实现了单例
 */
class Singleton3{
    private static volatile  Singleton3 instance = null;
    public int i;

    private Singleton3(){
    }

    private static synchronized void syncInit(){
        if(instance == null){
            System.out.println("Singleton3创建初始化======================================================");
            instance = new Singleton3();
        }
    }

    public static Singleton3 getInstance(){
        if(instance ==null){
            syncInit();
        }
        return instance;
    }
    public void testInstance(){
    }
    /**结果:
     * 我测试了多次没发现问题
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    Singleton3 instance = Singleton3.getInstance();
                    instance.testInstance();
                }
            }).start();
        }
    }
}

上述方法在effective java中就是double check,因为前一种的同步使得每次获取实例时都要上锁,事实上只有第一次才需要上锁。那么双重检查,第一个if null可以过滤掉非初始化的操作,在初始化时上锁再检查if null。因此,代码也可以这样写:

/**
 * double check
 */
class Singleton4{
    private volatile static Singleton4 instance = null;

    private Singleton4() {

    }

    public static Singleton4 getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton4();
            }
        }
        return instance;
    }
}

 2.补充:采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

/**
 * 影子实例:为单例对象的属性同步更新
 */
class SingletonTest{
    private static SingletonTest instance = null;
    private Vector properties = null;

    public Vector getProperties(){
        return properties;
    }

    private SingletonTest(){
    }

    private static synchronized void synInit(){
        if (instance ==null){
            instance = new SingletonTest();
        }
    }

    public static SingletonTest getInstance(){
        if(instance == null){
            synInit();
        }
        return instance;
    }

    public void updateProperties(){
        SingletonTest shadow = new SingletonTest();
        properties = shadow.getProperties();
    }
}

 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. sinchronized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(注意需要使用所的对象和过程,可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁)。

到这里,单例模式基本学习完毕,结尾处,有个问题: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,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就初始化。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,他的方法可以被覆盖重写。但静态类的内部方法都是static,无法重写。 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他功能,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。两种思想结合,才能造就出完美的解决方案,就像HashMap采用数据+链表来实现一样,其他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。

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