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Java设计模式之单例模式


 

   

  单例模式,只有一个实例存在于整个JVM中,保证只有一个实例,并可以被外界访问。它是一种常用的设计模式之一。实现单例模式的方法有很多种,然而需要考虑包括线程安全在内的一些因素。以下列举了几种典型的实现方法。

  02 实现及问题

  方法一:懒汉式实现

  【懒汉式】私有化构造函数,创建静态方法,提供单例引用,延迟加载。 重大缺陷:线程不安全,线程A希望能够使用Singleton实例,于是第一次调用静态方法getInstance(),发现此时singleton==null,准备创建实例,突然CPU发生时间片切换,线程B也希望调用该实例,此时A并未创建,因此singleton==null,B创建Singleton实例,执行完成后,线程A继续执行,因为已经判断过singleton==null,所以也创建了一个实例对象。 最终导致单例失败。

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  1 /**

  2 * 懒汉式 写法1

  3 * @author Administrator

  4 *

  5 */

  6 public class Singleton {

  7 private Singleton(){

  8

  9 }

  10 private static Singleton singleton=null;

  11 //静态工厂方法

  12 public static Singleton getInstance(){

  13 if(singleton==null){

  14 singleton=new Singleton();

  15 }

  16 return singleton;

  17 }

  18 }

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  方法二:饿汉式实现

  【饿汉式】懒汉式存在线程安全问题,无法在多线程下实现单例。饿汉式的方法就是可以在类加载时创建一个静态实例。其缺点在于类的初始化开销大。然而却是天生安全的。

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  1 /**

  2 * 饿汉式:类初始化时,实例化。

  3 * @author Administrator

  4 *

  5 */

  6 public class Singleton3 {

  7 private Singleton3(){

  8

  9 }

  10 private static final Singleton3 singleton=new Singleton3();

  11 public static Singleton3 getInstance(){

  12 return singleton;

  13 }

  14 }

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  方法三:同步懒汉式1

  【synchronized】在静态方法getInstance()前添加synchronized同步关键字实现方法同步, 重大缺点:执行效率低。每一次调用getInstance()都需要加锁,而加锁是非常耗时的,应尽量避免。

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  1 /**

  2 * 同步懒汉式1,添加synchronized

  3 * @author Administrator

  4 *

  5 */

  6 public class Singleton1 {

  7 private Singleton1(){

  8

  9 }

  10 private static Singleton1 singleton=null;

  11 //静态工厂方法

  12 public static synchronized Singleton1 getInstance(){

  13 if(singleton==null){

  14 singleton=new Singleton1();

  15 }

  16 return singleton;

  17 }

  18 }

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  方法四:双重检测懒汉式

  双重检测:即在同步块前后分别判断实例是否不为空。可以减少同步数。只有当instance==null的时候,才需要进入同步块,进行加锁操作。当已经创建后,则无需进入同步块,即不需要加锁操作,只有第一次需要创建实例对象时,多个线程才需要进入同步块,节

  省了时间。

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  1 /**

  2 * 双重检测懒汉式:双重检测,提高效率

  3 * @author Administrator

  4 *

  5 */

  6 public class Singleton2 {

  7 private Singleton2(){

  8

  9 }

  10 private static volatile Singleton2 singleton=null;

  11 //静态工厂方法

  12 public static Singleton2 getInstance(){

  13 if(singleton==null){ //若该线程检测到不为空,则不用创建,否则,进入同步块

  14 synchronized(Singleton2.class){

  15 if(singleton==null){ //多个线程开始同步,若一个线程创建成功,则其它后进入的线程都不用创建

  16 singleton=new Singleton2();

  17 }

  18 }

  19

  20 }

  21 return singleton;

  22 }

  23 }

  在双重检测中,使用了 volatile 关键字,能够保证访问到的变量是最后修改的。为什么要加volatile关键字呢?因为在Java中双重检测很可能导致失败的结果,得到一个存在但未初始化完成的实例。《Java与模式》的总结是:在Java编译器中,Singleton类的初始化与instance变量赋值的顺序不可预料。如果一个线程在没有同步化的条件下读取instance引用,并调用这个对象的方法的话,可能会发现对象初始化过程尚未完成,从而造成崩溃。

  其原因在于 Java虚拟机中实现的 无序写入 问题。所谓无序写入,JVM编译器能用不同的顺序从程序的解释中生成指令,并且存储变量在寄存器中,而并非内存,处理器可以并行或者颠倒次序的执行指令。完成的结果与严格连续执行的结果一致。例如在双重检测中singleton=new Singleton() 语句可能包含下列伪代码表示的指令。

  ----------------------------------------------------------

  memory=allocate(); //1、分配内存

  memory=Singleton();  //2、初始化实例

  singleton=memory;  //3、将实例赋值给引用变量。

  ----------------------------------------------------------

  由于JVM中存在无序写入 问题,那么很可能先执行语句3,再执行语句2。即如下所以:

  ----------------------------------------------------------

  memory=allocate();  //1、分配内存

  singleton=memory();  //2、将未初始化的实例复制给引用变量

  memory=Singleton();  //3、实例初始化

  ----------------------------------------------------------

  如果在执行语句2后,线程切换成另外一个线程,此时线程可知 instance!=null,然而此时该实例却是未初始化的。详细解释可以参考文献[1]。

  那么是否加了volatile关键字 双重检测就达到最优了呢?不是,因为volatile与synchronized有相当的含义,访问变量时效率同synchronized。且由于两次检测,相比synchronized block 效率更低一些。[1]

  方法五: 静态内部类

  使用静态内部类存放静态实例对象。在加载Singleton类时,并不加载内部类,在调用getInstance()时调用内部类,静态实例时,才加载静态内部类和内部静态实例对象。从而达到延时加载的目的。

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  1 /**

  2 * 懒汉式:通过静态内部类实现方式,既实现了线程安全,又提高了效率

  3 * @author Administrator

  4 *

  5 */

  6 public class Singleton4 {

  7 private Singleton4(){

  8

  9 }

  10 public static Singleton4 getInstance(){

  11 return Instance.singleton; //当需要返回实例的时候,初始化创建静态实例对象。

  12 }

  13

  14 private static class Instance{

  15 private static final Singleton4 singleton=new Singleton4();

  16 }

  17 }

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  方法六:Enum枚举实现

  在中提到,从Java1.5发行版本起,只需编写一个包含单个元素的枚举类型,实现Singleton。

  1 /**

  2 * 枚举类型实现单例

  3 * @author Administrator

  4 *

  5 */

  6 public class Singleton5 {

  7 public enum Singleton{

  8 INSTANCE;

  9

  10 public void method(){

  11 //任意方法

  12 }

  13 }

  14

  15 public static void main(String[] args) {

  16 Singleton.INSTANCE.method();

  17 }

  18 }

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  枚举方法 简洁明了,并提供序列化机制,不会在反序列化实例时创建新实例(在其他单例方法中如果要变成可序列化的,不仅要加上implements Serializable,还需要提供readResolve方法,参加《effective Java》)。也不会受到反射机制的影响,是实现单例模式的最佳方法。

  03 梳理概念点

  反射机制破坏单例模式:通过反射机制 例如借助AccessibleObject.setAccessible方法调用私有构造方法。如果要防止这种机制的影响,需要在构造方法中添加判断如果创建第二个实例则抛出异常。