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  • Java 实现单例模式的 9 种方法

    发布:51Code 时间: 2019-01-21 09:48

  • 一. 什么是单例模式 因进程需要,有时我们只需要某个类同时保留一个对象,不希望有更多对象,此时,我们则应考虑单例模式的设计。 二. 单例模式的特点 单例模式只能有一个实例。...

  • 一. 什么是单例模式

    因进程需要,有时我们只需要某个类同时保留一个对象,不希望有更多对象,此时,我们则应考虑单例模式的设计。

    二. 单例模式的特点

    单例模式只能有一个实例。

    单例类必须创建自己的唯一实例。

    单例类必须向其他对象提供这一实例。

    三. 单例模式VS静态类

    在知道了什么是单例模式后,我想你一定会想到静态类,“既然只使用一个对象,为何不干脆使用静态类?”,这里?#19968;?#23558;单例模式和静态类进行一个比较。

    单例可以继承和被继承,方法可以被override,而静态方法不可以。

    静态方法中产生的对象会在执行后被释放,进而被GC清理,不会一直存在于内存中。

    静态类会在第一次运行时初始化,单例模式可以有其他的选择,即可以延迟加载。

    基于2, 3条,由于单例对象往往存在于DAO层(例如sessionFactory),如果反复的初始化和释放,则会占用很多资源,而使用单例模式将其常驻于内存可以更加节约资源。

    静态方法有更高的访问效率。

    单例模式很容易被测试。

    几个关于静态类的误解:

    误解一:静态方法常驻内存而实例方法不是。

    实际?#24076;?#29305;殊编写的实例方法可以常驻内存,而静态方法需要不断初始化和释放。

    误解二:静态方法在堆(heap)?#24076;?#23454;例方法在栈(stack)上。

    实际?#24076;?#37117;是加载到特殊的不可写的代码内存区域中。

    静态类和单例模式情景的选择:

    情景一:不需要维持任何状态,仅仅用于全局访问,此时更适合使用静态类。

    情景二:需要维持一些特定的状态,此时更适合使用单例模式。

    四. 单例模式的实现

    1. 懒汉模式(线程不安全)

    public class SingletonDemo {

        private static SingletonDemo instance;

        private SingletonDemo(){

     

        }

        public static SingletonDemo getInstance(){

            if(instance==null){

                instance=new SingletonDemo();

            }

            return instance;

        }

    }

    如?#24076;?#36890;过提供一个静态的对象instance,利用private权限的构造方法和getInstance()方法来给予访问者一个单例。

    缺点是,没有考虑到线程安全,可能存在多个访问者同时访问,并同时构造了多个对象的问题。之所以叫做懒汉模式,主要是因为此种方法可以非常明显的lazy loading。

    针对懒汉模式线程不安全的问题,我们自然想到了,在getInstance()方法前加锁,于是就有了第二种实现。

    2. 线程安全的懒汉模式(线程安全)

    public class SingletonDemo {

        private static SingletonDemo instance;

        private SingletonDemo(){

     

        }

        public static synchronized SingletonDemo getInstance(){

            if(instance==null){

                instance=new SingletonDemo();

            }

            return instance;

        }

    }

    然而并发其实是一种特殊情况,大多时候这个锁占用的额外资源都浪费了,这种打补丁方式写出来的结构效率很低。

    3. 饿汉模式(线程安全)

    public class SingletonDemo {

        private static SingletonDemo instance=new SingletonDemo();

        private SingletonDemo(){

     

        }

        public static SingletonDemo getInstance(){

            return instance;

        }

    }

    直接在运行这个类的时候进行一次loading,之后直接访问。显然,这种方法没有起到lazy loading的效果,考虑到前面提到的和静态类的对比,这种方法只比静态类多了一个内存常驻而?#36873;?/span>

    4. 静态类内?#32771;?#36733;(线程安全)

    public class SingletonDemo {

        private static class SingletonHolder{

            private static SingletonDemo instance=new SingletonDemo();

        }

        private SingletonDemo(){

            System.out.println("Singleton has loaded");

        }

        public static SingletonDemo getInstance(){

            return SingletonHolder.instance;

        }

    }

    使用内部类的?#20040;?#26159;,静态内部类不会在单例加载时就加载,而是在调用getInstance()方法时才进行加载,达到了类似懒汉模式的效果,而这种方法又是线程安全的。

    5. 枚举方法(线程安全)

    enum SingletonDemo{

        INSTANCE;

        public void otherMethods(){

            System.out.println("Something");

        }

    }

    Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式,在我看来简直是来自神的写法。解决了以下三个问题:

    (1)自由串行化。

    (2)保证只有一个实例。

    (3)线程安全。

    如果我们想调用它的方法时,仅需要以下操作:

    public class Hello {

        public static void main(String[] args){

            SingletonDemo.INSTANCE.otherMethods();

        }

    }

    这种充满美感的代码真的已经终结了其他一切实现方法了。

    Josh Bloch 对这个方法的评价:

    这种写法在功能上与共有域方法相近,但是它更简洁,无偿地提供了串行化机制,绝对防止对此实例化,即使是在面对复杂的串行化或者反射攻击的时候。虽然这中方法还没有广泛采用,但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

    枚举单例这种方法问世以来,许多分析文章都称它是实现单例的最完美方法——写法超?#37117;?#21333;,而且又能解决大部分的问题。

    不过我个人认为这种方法虽然很优秀,但是它仍然不是完美的——比如,在需要继承的场景,它就不适用了。

    6. 双重校验锁法(通常线程安全,低概?#20160;?#23433;全)

    public class SingletonDemo {

        private static SingletonDemo instance;

        private SingletonDemo(){

            System.out.println("Singleton has loaded");

        }

        public static SingletonDemo getInstance(){

            if(instance==null){

                synchronized (SingletonDemo.class){

                    if(instance==null){

                        instance=new SingletonDemo();

                    }

                }

            }

            return instance;

        }

    }

    接下来我解释一下在并发时,双重校验锁法会有怎样的情景:

    STEP 1. 线程A访问getInstance()方法,因为单例还没有实例化,所以进入了锁定块。

    STEP 2. 线程B访问getInstance()方法,因为单例还没有实例化,得以访?#24335;?#19979;?#21019;?#30721;块,而接下?#21019;?#30721;块已经被线程1锁定。

    STEP 3. 线程A进入下一判?#24076;?#22240;为单例还没有实例化,所以进行单例实例化,成功实例化后退出代码块,解除锁定。

    STEP 4. 线程B进入接下?#21019;?#30721;块,锁定线程,进入下一判?#24076;?#22240;为已经实例化,退出代码块,解除锁定。

    STEP 5. 线程A获取到了单例实例并返回,线程B没有获取到单例并返回Null。

    理论上双重校验锁法是线程安全?#27169;?#24182;且,这种方法实现了lazyloading。

    7. 第七种?#21344;?#29256; (volatile)

    对于6中Double-Check这种可能出现的问题(当然这种概率已经非常小了,但毕竟还是有的嘛~),解决方案是:只需要给instance的声明加上volatile关键字即可,volatile版本如下:

    public class Singleton{

        private volatile static Singleton singleton = null;

        private Singleton()  {    }

        public static Singleton getInstance()   {

            if (singleton== null)  {

                synchronized (Singleton.class) {

                    if (singleton== null)  {

                        singleton= new Singleton();

                    }

                }

            }

            return singleton;

        }

    }

    volatile关键字的一个作用是禁止指令重排,把instance声明为volatile之后,对它的写操作就会有一个内存屏?#24076;?#20160;么是内存屏?#24076;浚?#36825;样,在它的?#25345;低?#25104;之前,就不用会调用读操作。

    注意:volatile阻止的不singleton = newSingleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排,而是保证了在一个写操作([1-2-3])完成之前,不会调用读操作(if (instance == null))。

    也就彻底防止了6中的问题发生。

    8. 使用ThreadLocal实现单例模式(线程安全)

    public class Singleton {

        private static final ThreadLocal tlSingleton =

                new ThreadLocal() {

                    @Override

                    protected Singleton initialValue() {

                        return new Singleton();

                    }

                };

        /**

         * Get the focus finder for this thread.

         */

        public static Singleton getInstance() {

            return tlSingleton.get();

        }

        // enforce thread local access

        private Singleton() {}

    }

    ThreadLocal会为每一个线程提供一个?#25042;?#30340;变量副本,从而隔离了多个线程对数据的访问冲突。对于多线程资源共享的问题,同步机制采用了“以时间换空间”的方式,而ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式。前者仅提供一份变量,让不同的线程排队访问,而后者为每一个线程都提供了一份变量,因此可以同时访问而互不影响。

    9. 使用CAS锁实现(线程安全)

    /**

     * 更加优美的Singleton, 线程安全的

     */

    public class Singleton {

     /** 利用AtomicReference */

     private static final AtomicReference INSTANCE = new AtomicReference();

     /**

      * 私有化

      */

     private Singleton(){

     }

     /**

      * 用CAS确保线程安全

      */

     public static final Singleton getInstance(){

      for (;;) {

       Singleton current = INSTANCE.get();

                if (current != null) {

                    return current;

                }

                current = new Singleton();

                if (INSTANCE.compareAndSet(null, current)) {

                    return current;

                }

            }

     }

     

     public static void main(String[] args) {

      Singleton singleton1 = Singleton.getInstance();

      Singleton singleton2 = Singleton.getInstance();

         System.out.println(singleton1 == singleton2);

     }

    }

    文章来源?#21644;?#32476;
    上文内容不用于商?#30340;康模?#22914;涉及知识产权问题,请权利人联系博为峰小编(021-64471599-8103),我们将立?#21019;?#29702;。
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