Java 设计模式系列(五)单例模式
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。
一、懒汉式单例
/**
* 懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己
* 1. 构造器私有化,避免外面直接创建对象
* 2. 声明一个私有的静态变量
* 3. 创建一个对外的公共静态方法访问该变量,如果没有变量就创建对象
*/
public class Singleton {
private Singleton() throws InterruptedException {
Thread.sleep(2 * 1000);
}
private static Singleton single=null;
//静态工厂方法
public static Singleton newInstance() {
if (single == null) {
single = new Singleton();
}
return single;
}
public static void main(String[] args) {
// 多线程下不安全,可以看到 Singleton 不是同一个对象
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Singleton.newInstance());
}
}).start();
}
}
}
Singleton 通过将构造方法限定为 private 避免了类在外部被实例化,在同一个虚拟机范围内,Singleton 的唯一实例只能通过 newInstance() 方法访问。(事实上,通过 Java 反射机制是能够实例化构造方法为 private 的类的,那基本上会使所有的 Java 单例实现失效。此问题在此处不做讨论,姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。)
但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题,它是线程不安全的,并发环境下很可能出现多个 Singleton 实例,要实现线程安全,有以下三种方式,都是对 newInstance 这个方法改造,保证了懒汉式单例的线程安全,如果你第一次接触单例模式,对线程安全不是很了解,可以先跳过下面这三小条,去看饿汉式单例,等看完后面再回头考虑线程安全的问题:
(1) 在 newInstance 方法上加同步
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static Singleton single=null;
//静态工厂方法
public static synchronized Singleton newInstance() {
if (single == null) {
single = new Singleton();
}
return single;
}
}
(2) 双重检查锁定
为处理同步延迟加载方式瓶颈问题,我们需要对 instance 进行第二次检查,目的是避开过多的同步(因为这里的同步只需在第一次创建实例时才同步,一旦创建成功,以后获取实例时就不需要同获取锁了),但在 Java 中行不通,因为同步块外面的 if (instance == null) 可能看到已存在,但不完整的实例。JDK5.0 以后版本若 instance 为 volatile 则可行:
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton newInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {// 1
if (instance == null) { // 2
instance = new Singleton();// 3
}
}
}
return instance;
}
}
可以看到里面加了 volatile 关键字来声明单例对象,既然 synchronized 已经起到了多线程下原子性、有序性、可见性的作用,为什么还要加 volatile 呢,原因已经在下面评论中提到:
《单例模式与双重检测》:http://www.iteye.com/topic/652440
(3) 静态内部类
public class Singleton {
private static class LazyHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton newInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}
这种比上面 1、2 都好一些,既实现了线程安全,又避免了同步带来的性能影响。
二、饿汉式单例
// 饿汉式单例类:在类初始化时,已经自行实例化
public class Singleton {
private Singleton() {}
private static final Singleton single = new Singleton();
//静态工厂方法
public static Singleton newInstance() {
return single;
}
}
饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用,以后不再改变,所以天生是线程安全的。
三、登记式单例(可忽略)
//类似Spring里面的方法,将类名注册,下次从里面直接获取。
public class Singleton {
private static Map<String,Singleton> map = new HashMap<String,Singleton>();
static{
Singleton single = new Singleton();
map.put(single.getClass().getName(), single);
}
//保护的默认构造子
protected Singleton() {}
//静态工厂方法,返还此类惟一的实例
public static Singleton newInstance(String name) {
if(name == null) {
name = Singleton.class.getName();
System.out.println("name == null"+"--->name="+name);
}
if(map.get(name) == null) {
try {
map.put(name, (Singleton) Class.forName(name).newInstance());
} catch (InstantiationException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return map.get(name);
}
//一个示意性的商业方法
public String about() {
return "Hello, I am RegSingleton.";
}
public static void main(String[] args) {
Singleton single3 = Singleton.newInstance(null);
System.out.println(single3.about());
}
}
登记式单例实际上维护了一组单例类的实例,将这些实例存放在一个 Map(登记薄)中,对于已经登记过的实例,则从 Map 直接返回,对于没有登记的,则先登记,然后返回。
这里我对登记式单例标记了可忽略,我的理解来说,首先它用的比较少,另外其实内部实现还是用的饿汉式单例,因为其中的 static 方法块,它的单例在类被装载的时候就被实例化了。
三、饿汉式和懒汉式区别
从名字上来说,饿汉和懒汉,饿汉就是类一旦加载,就把单例初始化完成,保证 newInstance 的时候,单例是已经存在的了,而懒汉比较懒,只有当调用 newInstance 的时候,才回去初始化这个单例。
另外从以下两点再区分以下这两种方式:
1、线程安全:
饿汉式天生就是线程安全的,可以直接用于多线程而不会出现问题,
懒汉式本身是非线程安全的,为了实现线程安全有几种写法,分别是上面的1、2、3,这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。
2、资源加载和性能:
饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来,不管之后会不会使用这个单例,都会占据一定的内存,但是相应的,在第一次调用时速度也会更快,因为其资源已经初始化完成,
而懒汉式顾名思义,会延迟加载,在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来,第一次调用时要做初始化,如果要做的工作比较多,性能上会有些延迟,之后就和饿汉式一样了。
至于 1、2、3 这三种实现又有些区别,
第 1 种,在方法调用上加了同步,虽然线程安全了,但是每次都要同步,会影响性能,毕竟 99% 的情况下是不需要同步的;
第 2 种,在 newInstance 中做了两次 null 检查,确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步,这样也是线程安全的,同时避免了每次都同步的性能损耗;
第 3 种,利用了 classloader 的机制来保证初始化 instance 时只有一个线程,所以也是线程安全的,同时没有性能损耗,所以一般我倾向于使用这一种。
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