设计模式学习笔记 : 单例模式

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单例模式的基本概念与特点

单例模式是指,在当前进程中,通过单例模式创建的类有且只有一个实例

有以下特点

  • 在Java应用中,单例模式能保证在一个JVM中,该对象只有一个实例存在
  • 构造器必须是私有的,外部类无法通过调用构造器方法创建该实例
  • 没有公开的set方法,外部类无法调用set方法创建该实例
  • 提供一个公开的get方法获取唯一的这个实例

好处有

  • 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
  • 省去了new操作符,降低了系统内存的使用频率,减轻GC压力
  • 系统中某些类,如spring里的controller,控制着处理流程,如果该类可以创建多个的话,系统完全乱了
  • 避免了对资源的重复占用

单例模式问题与好处

单例模式同时解决了两个问题, 所以违反了单一职责原则

  1. 保证一个类只有一个实例。 为什么会有人想要控制一个类所拥有的实例数量? 最常见的原因是控制某些共享资源 (例如数据库或文件) 的访问权限。它的运作方式是这样的: 如果你创建了一个对象, 同时过一会儿后你决定再创建一个新对象, 此时你会获得之前已创建的对象, 而不是一个新对象。 注意,普通构造函数无法实现上述行为, 因为构造函数的设计决定了它必须总是返回一个新对象。

  2. 为该实例提供一个全局访问节点。 还记得你 (好吧, 其实是我自己) 用过的那些存储重要对象的全局变量吗? 它们在使用上十分方便, 但同时也非常不安全, 因为任何代码都有可能覆盖掉那些变量的内容, 从而引发程序崩溃。 和全局变量一样, 单例模式也允许在程序的任何地方访问特定对象。 但是它可以保护该实例不被其他代码覆盖。

    还有一点: 你不会希望解决同一个问题的代码分散在程序各处的。 因此更好的方式是将其放在同一个类中, 特别是当其他代码已经依赖这个类时更应该如此。

如今, 单例模式已经变得非常流行, 以至于人们会将只解决上文描述中任意一个问题的东西称为单例

举个例子:政府是单例模式的一个很好的示例。 一个国家只有一个官方政府。 不管组成政府的每个人的身份是什么,“某政府” 这一称谓总是鉴别那些掌权者的全局访问节点。 singleton-comic-1-zh-2x.png

客户端意识不到它们一直都在使用同一个对象

单例模式的结构

structure-zh-indexed-2x.png

  • 单例 (Singleton) 类声明了一个名为 getInstance获取实例的静态方法来返回其所属类的一个相同实例。单例的构造函数必须对客户端 (Client) 代码隐藏。 调用 获取实例方法必须是获取单例对象的唯一方式。

解决方案

所有单例的实现都包含以下两个相同的步骤:

  • 将默认构造函数设为私有, 防止其他对象使用单例类的 new运算符。
  • 新建一个静态构建方法作为构造函数。 该函数会 “偷偷” 调用私有构造函数来创建对象, 并将其保存在一个静态成员变量中。 此后所有对于该函数的调用都将返回这一缓存对象。

如果你的代码能够访问单例类, 那它就能调用单例类的静态方法。 无论何时调用该方法, 它总是会返回相同的对象。

代码如下

  • 饿汉式
public class Singleton {
  // 创建一个实例对象
    private static Singleton instance = new Singleton();
    /**
     * 私有构造方法,防止被实例化
     */
    private Singleton(){}
    /**
     * 静态get方法
     */
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

之所以叫饿汉式大家可以理解为他饿,他想提前把对象new出来,这样别人哪怕是第一次获取这个类对象的时候直接就存在这个类了,省去了创建类这一步的开销。

  • 懒汉式(线程不安全)
public class Singleton {    
    private static Singleton instance;    
    private Singleton (){}    
    
    public static Singleton getInstance() {    
    if (instance == null) {    
        instance = new Singleton();    
    }    
    return instance;    
    }    
}

懒汉式大家可以理解为他懒,别人第一次调用的时候他发现自己的实例是空的,然后去初始化了,再赋值,后面的调用就和饿汉没区别了。

在很多电商场景,如果这个数据是经常访问的热点数据,那我就可以在系统启动的时候使用饿汉模式提前加载(类似缓存的预热)这样哪怕是第一个用户调用都不会存在创建开销,而且调用频繁也不存在内存浪费了。

而懒汉式呢我们可以用在不怎么热的地方,比如那个数据你不确定很长一段时间是不是有人会调用,那就用懒汉,如果你使用了饿汉,但是过了几个月还没人调用,提前加载的类在内存中是有资源浪费的。

线程安全问题

image.png

如图所示,有时候会出现实例化两个对象的情况。

解决方法

  • 简单加锁
public class Singleton {  
    private static Singleton instance = null;  
    /**  
     * 私有构造方法,防止被实例化  
     */  
    private Singleton(){}  
    /**  
     * 静态get方法  
     */  
    public static synchronized Singleton getInstance(){  
        if(instance == null){  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

这是一种典型的时间换空间的写法,不管三七二十一,每次创建实例时先锁起来,再进行判断,严重降低了系统的处理速度。

  • 双检锁做两次判断
public class Singleton {  
    private static Singleton instance = null;  
    private Singleton(){}  
    public static Singleton getInstance(){  
        //先检查实例是否存在,如果不存在才进入下面的同步块  
        if(instance == null){  
            //同步块,线程安全的创建实例  
            synchronized (Singleton.class) {  
                //再次检查实例是否存在,如果不存在才真正的创建实例  
                if(instance == null){  
                    instance = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}

将synchronized关键字加在了内部,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,性能有一定的提升。

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。

    图片image-20201212010622553

  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。

加上volatile修饰Singleton,再做一次优化:

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton instance = null;  
    private Singleton(){}  
    public static Singleton getInstance(){  
        //先检查实例是否存在,如果不存在才进入下面的同步块  
        if(instance == null){  
            //同步块,线程安全的创建实例  
            synchronized (Singleton.class) {  
                //再次检查实例是否存在,如果不存在才真正的创建实例  
                if(instance == null){  
                    instance = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}

通过volatile修饰的变量,不会被线程本地缓存,所有线程对该对象的读写都会第一时间同步到主内存,从而保证多个线程间该对象的准确性

volatile的作用

  • 防止指令重排序,因为instance = new Singleton()不是原子操作
  • 保证内存可见

但是由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化,所以运行效率并不是很高,还有更优的写法

  • 通过静态内部类
public class Singleton {  
  
    /* 私有构造方法,防止被实例化 */  
    private Singleton() {  
    }  
  
    /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
  
    /* 获取实例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
  
    /* 如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
} 

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。

还有更完美的写法吗?

通过枚举

public enum Singleton {  
    /**  
     * 定义一个枚举的元素,它就代表了Singleton的一个实例。  
     */  
    Instance;  
}

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁,而且JVM从根本上提供保障,绝对防止多次实例化,是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。 最后这种也是我最青睐的一种(代码少)。

实际应用

  • 电商项目

电商系统中就有很多类,有很多配置和属性,这些配置和属性是一定存在了,又是公共的,同时需要在整个生命周期中都存在,所以只需要一份就行,这个时候如果需要我再需要的时候new一个,再给他分配值,显然是浪费内存并且再赋值没什么意义

  • Spring对单例的实现   Spring依赖注入Bean实例默认是单例的。

Spring的依赖注入(包括lazy-init方式)都是发生在AbstractBeanFactory的getBean里。getBean的doGetBean方法调用getSingleton进行bean的创建。

Spring中的单例模式提供了全局的访问点BeanFactory。但没有从构造器级别去控制单例,这是因为Spring管理的是任意的Java对象。

资料参考