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

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