设计模式（CS-Notes）

雨点打透心脏的1/2处 2021-11-01 11:38 299阅读 0赞

# 一、概述 #

设计模式是解决问题的方案，学习现有的设计模式可以做到经验复用。

拥有设计模式词汇，在沟通时就能用更少的词汇来讨论，并且不需要了解底层细节。

# 二、创建型 #

## 1. 单例（Singleton） ##

### Intent ###

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

### Class Diagram（类图） ###

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

![aHR0cHM6Ly9jcy1ub3Rlcy0xMjU2MTA5Nzk2LmNvcy5hcC1ndWFuZ3pob3UubXlxY2xvdWQuY29tL2VjYTFmNDIyLTgzODEtNDA5Yi1hZDA0LTk4ZWYzOWFlMzhiYS5wbmc][]

### Implementation（Java代码实现） ###

**Ⅰ 懒汉式-线程不安全**

以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 `if (uniqueInstance == null)` ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 `uniqueInstance = new Singleton();` 语句，这将导致实例化多次 uniqueInstance。

public class Singleton {
    
        private static Singleton uniqueInstance;
    
        private Singleton() {
        }
    
        public static Singleton getUniqueInstance() {
            /* 延迟实例化 */
            if (uniqueInstance == null) {
                uniqueInstance = new Singleton();
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

**Ⅱ 饿汉式-线程安全**

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被实例化多次，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

public class Singleton {
    
        private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();  /* 类一加载就实例化 */
    
        private Singleton() {
        }
    
        public static Singleton getUniqueInstance() {
            return uniqueInstance;
        }
    }

**Ⅲ 懒汉式-线程安全**

只需要**对 getUniqueInstance() 方法加锁**，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，即使 uniqueInstance 已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此**该方法有性能问题，不推荐使用**。

public class Singleton {
    
        private static Singleton uniqueInstance;
    
        private Singleton() {
        }
    
        //对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了实例化多次 uniqueInstance。
        public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
            if (uniqueInstance == null) {
                uniqueInstance = new Singleton();
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

**Ⅳ 双重校验锁-线程安全**

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，**只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。**

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

public class Singleton {
    
        private volatile static Singleton uniqueInstance;  //volatile防止指令重排序
    
        private Singleton() {
        }
    
        public static Singleton getUniqueInstance() {
            /* 先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化.如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。 */
            if (uniqueInstance == null) { //第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作
                synchronized (Singleton.class) { 
                    if (uniqueInstance == null) { //第二个 if 语句进行了加锁，所以只能有一个线程进入，就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作
                        uniqueInstance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return uniqueInstance;
        }
    }

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 `uniqueInstance = new Singleton();` 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句：第一个 if 语句用来避免 uniqueInstance 已经被实例化之后的加锁操作，而第二个 if 语句进行了加锁，所以只能有一个线程进入，就不会出现 uniqueInstance == null 时两个线程同时进行实例化操作。

if (uniqueInstance == null) {  //可能会有两个线程同时判断成功，那么这两个线程都会执行下面的实例化操作
        synchronized (Singleton.class) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
    }

uniqueInstance 采用 **volatile 关键字**修饰也是很有必要的， `uniqueInstance = new Singleton();` 这段代码其实是分为三步执行：

1.  为 uniqueInstance 分配内存空间
2.  初始化 uniqueInstance
3.  将 uniqueInstance 指向 分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是**在多线程环境下会导致一个线程获得 还没有初始化的实例**。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

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