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单例模式与静态类,Java 实现单例模式的 9 种方法

时间:2019-01-15 09:40:42   来源:saowen Java团长   阅读:

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

  1. 单例模式只能有一个实例。

  2. 单例类必须创建自己的唯一实例。

  3. 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?”,这里我会将单例模式和静态类进行一个比较。

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

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 静态方法有更高的访问效率。

  6. 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。

实际上,特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)上,实例方法在栈(stack)上。

实际上,都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;
    }
}

如上,通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已。
 

4. 静态类内部加载(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;
    }
}

使用内部类的好处是,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——写法超级简单,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,低概率不安全)

 

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,得以访问接下来代码块,而接下来代码块已经被线程1锁定。

STEP 3. 线程A进入下一判断,因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进入接下来代码块,锁定线程,进入下一判断,因为已经实例化,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的,并且,这种方法实现了lazyloading。
 

7. 第七种终极版 (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障(什么是内存屏障?),这样,在它的赋值完成之前,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独立的变量副本,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);
 }
}

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