java设计模式（四）--单例模式

逃离我推掉我的手 2022-07-16 07:27 182阅读 0赞

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**和**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：

![ContractedBlock.gif][] ![ExpandedBlockStart.gif][]

/**
     * 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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