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单例模式

【转载】Java单例模式(Singleton)以及实现

一. 什么是单例模式

因程序需要,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

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。

原博客作者没有指出为什么会出现线程不安全的问题,我这里说明一下

假设新建5个线程同时获取单例对象,此时,得到的并不是同一个对象

public class Singleton {

    private static Singleton singleton;


    /**
    * 构造函数私有,禁止外部实例化
    */
    private Singleton() {};

    public  static Singleton getInstance() {
        /**
         * 为什么这里是直接赋值而不是return new Singleton();
         * 因为,如果return new Singleton();那静态对象singleton都没有被实例化出来肯定是空啊
         */
        if(singleton == null){
            singleton = new Singleton();
            return singleton;
        }
        return singleton;

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0 ; i <= 30 ; i ++){
            new Thread(()->{
                Singleton singleton = Singleton.getInstance();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到的单例对象hash码:"+singleton.hashCode());
            }).start();
        }
    }

}

执行的结果是
image.png
可以看出并不是同一个对象
而且!!!!!!!!虽然对于获取的这个单例对象是线程安全的,但是对于这个对象的属性并不是线程安全的!!!!!!
下面的代码我新建了400个线程同时对这个单例对象的属性money进行+1,结果如何呢?

public class Singleton {

    private static Singleton instance=new Singleton();
    private int money = 0;
    private Singleton(){

    }
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0 ; i < 400; i ++){
            new Thread(()->{
                Singleton singleton = Singleton.getInstance();
                int money = singleton.getMoney();
                money++;
                singleton.setMoney(money);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到的单例对象hash码:"+singleton.hashCode());
            }).start();

        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(Singleton.getInstance().getMoney());
    }

    public int getMoney() {
        return money;
    }

    public void setMoney(int money) {
        this.money = money;
    }
}

结果竟然是惊人的398,表示出现了脏读!!!
image.png
那我们看一下对于这个对象获取是不是线程安全的呢
image.png
没错,对于对象的获取是线程安全的
你是不是想到了给这个属性加上volatile,通过可见性解决呢?

private static volatile Singleton instance=new Singleton();

运行结果如下
image.png
仍然没有!!!!
你们不会想到了把get,set方法加上synchronized吧,不行的!
image.png

image.png
先想一下,要让线程对对象中的属性进行++保持原子性,那么这里分为获取值,然后传入值,再刷新值。因为本质上i++是读、写两次操作,所以我们应该对这个操作封装,然后进行加锁。
这样才对!!!
image.png
如果不信,那我把线程操作数加到800

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0 ; i < 800; i ++){
            new Thread(()->{
                Singleton singleton = Singleton.getInstance();
                synchronized (Singleton.class){
                    int money = singleton.getMoney();
                    money++;
                    singleton.setMoney(money);
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"获取到的单例对象hash码:"+singleton.hashCode());
            }).start();

        }
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println(Singleton.getInstance().getMoney());
    }

运行了10多次,结果仍然是800,如果不相信的话,去试试趴

2. 线程安全的懒汉模式

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

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

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

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)自由序列化。

(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。
6. 双重校验锁法

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初始化并获取到了单例实例并返回,线程B获取了在线程A中初始化的单例。

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。


标题:单例模式
作者:MingGH
地址:https://runnable.run/articles/2019/11/30/1575092858749.html