【设计模式In Java】二、单例模式

小咪咪 2022-03-18 05:45 119阅读 0赞

# 单例模式 #

### 文章目录 ###

*  单例模式
 *   *  定义
     *  场景
     *  UML类图
     *  代码
     *  总结

## 定义 ##

单例模式(`Singleton Pattern`)：确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。单例模式是一种对象创建型模式。

单例模式有三个要点：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

## 场景 ##

准备在网站中添加一个访问计数器，为了保证计数器在程序中唯一，现在需要将计数器设计为单例模式，否则可能出现多个计数器导致计数不正确。

## UML类图 ##

![在这里插入图片描述][20190219165140609.png]

## 代码 ##

[singleton][]  
示例：

public void test() throws InterruptedException { 
        ApplicationCounter applicationCounter = ApplicationCounter.getApplicationCounter();
        ApplicationCounter applicationCounter1 = ApplicationCounter.getApplicationCounter();
        assert applicationCounter == applicationCounter1;
        for (int i = 0; i < 100; i++) { 
            new Thread(applicationCounter::increase).start();
        }
        Thread.sleep(100L);
        System.out.println(applicationCounter.get());
    }

## 总结 ##

上面的单例实现方式其实是存在线程安全问题的：不考虑并发时，这种使用时先判断是否为空再决定是否初始化（懒加载）确实可以保证对象唯一，但是考虑高并发的时候，就有线程安全问题。

假设有多个线程同时调用`getApplicationCounter()`，并且都判定为空，那就会初始化多次，这时候有两种解决方案：  
第一种是使用饿汉模式，即在声明时就初始化，即类加载时就初始化：

public class ApplicationCounter1 { 
    
        private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    
        private static ApplicationCounter1 applicationCounter1 = new ApplicationCounter1();
    
        public synchronized Integer increase(){ 
            return applicationCounter1.counter.addAndGet(1);
        }
    
        public Integer get(){ 
            return applicationCounter1.counter.get();
        }
    
        public static ApplicationCounter1 getApplicationCounter(){ 
            return applicationCounter1;
        }
    
    }

这样写的好处是可以确保对象唯一，但坏处也显而易见：假设并不需要使用此对象，对象也会被创建，造成资源浪费，那么依然可以使用原先的方法，并且在`getApplicationCounter()`方法前加上`synchronized`不就好了吗：

public class ApplicationCounter2 { 
    
        private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    
        private static ApplicationCounter2 applicationCounter2;
    
        public Integer increase(){ 
            return applicationCounter2.counter.addAndGet(1);
        }
    
        public Integer get(){ 
            return applicationCounter2.counter.get();
        }
    
        public static synchronized ApplicationCounter2 getApplicationCounter(){ 
            if(applicationCounter2 == null){ 
                applicationCounter2 = new ApplicationCounter2();
            }
    
            return applicationCounter2;
        }
        
    }

问题得到解决，但是每次获取对象的时候都会加锁，在高并发场景下可能导致性能大大降低，但可以通过减小锁的粒度来优化，因为我们并不需要对整个方法加锁，只需要对`if`判断加锁即可：

public static ApplicationCounter2 getApplicationCounter(){ 
        if(applicationCounter2 == null){ 
            synchronized(ApplicationCounter2.class){ 
    			applicationCounter2 = new ApplicationCounter2();
    		}
        }
    
        return applicationCounter2;
    }

问题貌似得到解决，但其实不然，因为可能同时有多个线程进入了if块，那么会有多个线程先后进入同步块，还是会出现初始化多次的情况，那我们可以在同步块内再做一次判断，这样在同步块前做一次判断，进入同步块后再做一次判断的方式称为“双重检查锁定(`Double-Check Locking`)”：

private volatile static ApplicationCounter2 applicationCounter2;
    
    ...
    
    public static ApplicationCounter2 getApplicationCounter(){ 
        //check1
        if(applicationCounter2 == null){ 
            synchronized(ApplicationCounter2.class){ 
                //check2
            	if(applicationCounter2 == null){ 
            		applicationCounter2 = new ApplicationCounter2();
            	}
    		}
        }
    
        return applicationCounter2;
    }

记得用`volatile`修饰单例对象，可以确保线程之间的可见性和禁止指令重排，一旦对象被初始化，其他线程会立马拿到更新后的值去和null比较，从而防止线程用本地副本和null比较，也就不会导致实例被多次初始化。但这种解决方法不是特别优雅，`volatile`也会一定程度上降低性能，所以双重检查锁定也不是一个完美的解决方法。

有没有结合懒加载和按需加载两种方式的方法呢？是有的：

public class ApplicationCounter3 { 
    
        private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    
        private static class ApplicationCounterHolder{ 
            private final static ApplicationCounter3 applicationCounter3 = new ApplicationCounter3();
        }
    
        public Integer increase(){ 
            return ApplicationCounterHolder.applicationCounter3.counter.addAndGet(1);
        }
    
        public Integer get(){ 
            return ApplicationCounterHolder.applicationCounter3.counter.get();
        }
    
        public static synchronized ApplicationCounter3 getApplicationCounter(){ 
            return ApplicationCounterHolder.applicationCounter3;
        }
        
    }

由于静态单例对象没有作为`ApplicationCounter3`的成员变量直接实例化，因此类加载时不会实例化`ApplicationCounter3`，第一次调用`getApplicationCounter()`时将加载内部类`ApplicationCounterHolder`，在该内部类中定义了一个`static`类型的变量，此时会首先初始化这个成员变量，由Java虚拟机来保证其线程安全性，确保该成员变量只能初始化一次。由于`getApplicationCounter()`方法没有任何线程锁定，因此其性能不会造成任何影响。

[20190219165140609.png]: /images/20220318/fb8924e3397940f2b2b3fc0a523ae541.png
[singleton]: https://github.com/clyoudu/dpinj/tree/master/src/main/java/github/clyoudu/dpinj/singleton