浅谈singleton单例模式

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一、前言

单例模式比较简单,可以说没有复杂的调用和接口的设计,就是一个简单的类,只是要求这个类只生成一个对象,无论什么时候都要保证这一点,因此只能生成一个实例的模式就是单例模式。

二、类的加载

类的加载是通过类加载器(Classloader)完成的,它既可以是饿汉式加载类,也可以是懒汉式加载,这跟不同的JVM实现有关。加载完类后,类的初始化就会发生,如果是对一个类的主动使用就会初始化对象,对类的被动使用不会对类进行初始化,比如final修饰的静态变量如果能在编译时就确定变量的取值,会被当做常量,作为对一个类的被动使用不会导致类的初始化。以下情况类被初始化:

类初始化的一些规则:

  1. 类从顶到底的顺序初始化,所以声明在顶部的字段遭遇底部的字段初始化;
  2. 超类早于子类和衍生类的初始化;
  3. 如果类的初始化是由于访问静态域而触发,那么只能声明静态域的类才被初始化,而不会触发超类的初始化或者子类的初始化,即使静态域被子类或子接口或者它的实现类锁引用;
  4. 接口初始化不会导致父接口的初始化;
  5. 静态域的初始化时在类的静态初始化期间,非静态域的初始化是在类的实例创建期间,这意味着静态域初始化在非静态域之前;
  6. 非静态域通过构造器初始化,子类在做任何初始化之前构造器会先调用父类的构造器,它保证了父类非静态或实例变量初始化早于子类;

三、单例模式的特点

单例模式有以下特点:

  1. 单例类只能有一个实例。
  2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

    目的:单例模式确保某个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中,线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机,但只能有一个打印服务,以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口,系统应当集中管理这些通信端口,以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之,选择单例模式就是为了避免不一致状态,避免政出多头。

    四、饿汉式单例

    public class Singleton {
      private Singleton() {}
      private static final Singleton single = new Singleton();
      //静态工厂方法 
      public static Singleton getInstance() {
          return single;
      }
    }

    因为这本身就是static修饰的方法,所以是在类加载的时候被创建,后期不会再改变,所以线程是安全的。

    五、懒汉式单例

    public class SingletonTest {
        public static SingletonTest singleton = null;
        public static SingletonTest getInstance(){
            if(singleton == null){
                singleton = new SingletonTest();
                System.out.println("创建一次");
            }
            return singleton;
        }
        public void show(){
            System.out.println("我是江疏影");
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            SingletonTest singleton = SingletonTest.getInstance();
            SingletonTest singleton1 = SingletonTest.getInstance();
            singleton.show();
            singleton1.show();
            if(singleton==singleton1){
                System.out.println("该对象的字符串表示形式:");
                System.out.println("singleton :"+singleton.toString());
                System.out.println("singleton1:"+singleton1.toString());
            }
        }
    }

    懒汉式方法总是会出现这样或那样的问题的,因为考虑到了多线程机制,实现起来比较麻烦,并且还会出现问题,就算是使用了一定的解救办法(同步、加锁、双重判断)的办法,性能还是被损耗了,因此懒汉式方法的弊端非常大。

    六、双检锁/双重校验锁

    描述:采用双锁机制,安全且在多线程情况下能保持高性能。多线程安全

    package designMode;
    
    public class Singleton {
        private volatile static Singleton singleton;
        public static synchronized Singleton getSingleton(){
            if(singleton==null){
                singleton = new Singleton();
            }
            return singleton;
        }
    }

    或者使用如下方式,双重判断,第二次判断就是防止已经有一个对象产生了,因此也可以达到相应的目的。

    package designMode;
    
    public class Singleton {
        private volatile static Singleton singleton;
        public static Singleton getSingleton(){
            if(singleton==null){
                synchronized (Singleton.class) {
                    if (singleton == null) {
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }
    }

    这里的两次判断,第一判断:效率,第二判断:避免同步。之所以这样是因为避免加锁后,再次加锁。大大增强了执行效率。

    七、枚举实现单例

    1、枚举单例(Enum Singleton)在Effective Java一书中提到,因为其功能完善,使用简洁,无偿的提供了序列化机制,在面对复杂的序列化或者反射攻击时依然可以绝对防止多次实例化等优点,被作者所推崇。

    2、枚举单例写法简单

    如上文提到的DCL(double checked locking),实在是优点麻烦,枚举单例相对简单的多。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法,它可能还包含实例变量和实例方法,枚举单例是线程安全的。

    public enum  DataSourceEnum {
        DATASOURCE;
        private DBConnection connection = null;
        private DataSourceEnum(){
            connection = new DBConnection();
        }
        public DBConnection getConnection(){
            return connection;
        }
    }
    public class Test {
        public static void main(String[] args) {
            DBConnection conn1 = DataSourceEnum.DATASOURCE.getConnection();
            DBConnection conn2 = DataSourceEnum.DATASOURCE.getConnection();
            System.out.println(conn1 == conn2);
        }
    }

    八、静态内部类实现单例

    package designMode.singleton;
    
    public class Singleton {
        private static class SingleTonHoler{
            private static Singleton INSTANCE = new Singleton();
        }
    
        public static Singleton getInstance(){
            return SingleTonHoler.INSTANCE;
        }
    }

    1、静态内部类实现单例的优点是:外部类加载时并不需要立即加载内部类,内部类不被加载则不去初始化INSTANCE,故而不占内存。即当SingleTon第一次被加载时,并不需要去加载SingleTonHoler,只有当getInstance()方法第一次被调用时,才会去初始化INSTANCE,第一次调用getInstance()方法会导致虚拟机加载SingleTonHoler类,这种方法不仅能确保线程安全,也能保证单例的唯一性,同时也延迟了单例的实例化。

    2、当getInstance()方法被调用时,SingleTonHoler才在SingleTon的运行时常量池里,把符号引用替换为直接引用,这时静态对象INSTANCE也真正被创建,然后再被getInstance()方法返回出去,这点同饿汉模式。那么INSTANCE在创建过程中又是如何保证线程安全的呢?在《深入理解java虚拟机》中,有这么一句话:

    虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步,如果多个线程同时去初始化一个类,那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法,其它线程都需要阻塞等待,直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作,就有可能造成多个进程阻塞(需要注意的是,其它线程虽然会被阻塞,但如果执行<clinit>()方法后,其它线程唤醒之后不会再次进入<clinit>()方法。同一个加载器下,一个类型只会初始化一次。)在实际应用中,这种阻塞往往是隐蔽的。

    <clinit>()方法简介:

    1、先理解类初始化阶段的含义:该阶段负责为类变量赋予正确的初始值,是一个类或接口被首次使用前的最后一项工作。

    2、<clinit>()方法的执行时期:类初始化阶段(该方法只能被JVM调用,专门承担类变量的初始化工作)。

    3、<clinit>()方法的内容:所有的类变量初始化语句和类型的静态初始化器。

    4、类的初始化时机:

    • 首次创建某个类的新实例时(new,反射,克隆,反序列化);
    • 首次调用某个类的静态方法时;
    • 首次使用某个类或接口的静态字段或对该字段(final字段除外)赋值时;
    • 首次调用java的某些反射方法时;
    • 首次初始化某个类的子类时;
    • 首次在虚拟机启动时某个含有main()方法的那个启动类。

    5、注意:并非所有的类都拥有一个<clinit>()方法,满足下列条件之一的类不会拥有<clinit>()方法:

    • 该类没有声明任何类变量,也没有静态初始化语句;
    • 该类声明了类变量,但没有明确使用类变量初始化语句或静态初始化语句初始化;
    • 该类仅包含静态final变量的类变量初始化语句,并且类变量初始化语句是编译时常量表达式。

     

    故而,可以看出INSTANCE在创建过程中是线程安全的,所以说静态内部类形式的单例可保证线程安全,也能保证单例的唯一性,同时也延迟了单例的实例化。

    那么,是不是可以说静态内部类实现单例模式就是完美的了呢?其实不然,静态内部类实现单例也有一个致命的缺点,就是传参的问题,由于静态内部类的形式创建单例,故而无法传递参数进去,例如Contxt这种参数,所以我们创建单例时,可以根据实际情况,进行斟酌。

    九、总结

    在这个单例模式中,我希望大家不要只知道单例的思想,更要知道类的加载和初始化时机,以及多线程的机制,我想这才是真正有意义的呢。枚举单例有序列化和线程安全的保证,而且实现简单,是实现单例最好的方式。

     

    素小暖讲设计模式@目录

     

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