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詳解Java實(shí)現(xiàn)單例的五種方式

發(fā)布時(shí)間:2020-09-15 21:21:06 來源:腳本之家 閱讀:127 作者:王小冬 欄目:編程語言

1. 什么是單例模式

單例模式指的是在應(yīng)用整個(gè)生命周期內(nèi)只能存在一個(gè)實(shí)例。單例模式是一種被廣泛使用的設(shè)計(jì)模式。他有很多好處,能夠避免實(shí)例對(duì)象的重復(fù)創(chuàng)建,減少創(chuàng)建實(shí)例的系統(tǒng)開銷,節(jié)省內(nèi)存。

單例模式的要求有三點(diǎn):

  1. 某個(gè)類只能有一個(gè)實(shí)例
  2. 它必須自行創(chuàng)建這個(gè)實(shí)例
  3. 他必須自行向整個(gè)系統(tǒng)提供整個(gè)實(shí)例

2. 單例模式和靜態(tài)類的區(qū)別

首先理解一下什么是靜態(tài)類,靜態(tài)類就是一個(gè)類里面都是靜態(tài)方法和靜態(tài)field,構(gòu)造器被private修飾,因此不能被實(shí)例化。Math類就是一個(gè)靜態(tài)類。

知道了什么是靜態(tài)類后,來說一下他們兩者之間的區(qū)別:

1)首先單例模式會(huì)提供給你一個(gè)全局唯一的對(duì)象,靜態(tài)類只是提供給你很多靜態(tài)方法,這些方法不用創(chuàng)建對(duì)象,通過類就可以直接調(diào)用;

2)單例模式的靈活性更高,方法可以被override,因?yàn)殪o態(tài)類都是靜態(tài)方法,所以不能被override;

3)如果是一個(gè)非常重的對(duì)象,單例模式可以懶加載,靜態(tài)類就無法做到;

那么時(shí)候時(shí)候應(yīng)該用靜態(tài)類,什么時(shí)候應(yīng)該用單例模式呢?首先如果你只是想使用一些工具方法,那么最好用靜態(tài)類,靜態(tài)類比單例類更快,因?yàn)殪o態(tài)的綁定是在編譯期進(jìn)行的。如果你要維護(hù)狀態(tài)信息,或者訪問資源時(shí),應(yīng)該選用單例模式。還可以這樣說,當(dāng)你需要面向?qū)ο蟮哪芰r(shí)(比如繼承、多態(tài))時(shí),選用單例類,當(dāng)你僅僅是提供一些方法時(shí)選用靜態(tài)類。

3.如何實(shí)現(xiàn)單例模式

1. 餓漢模式

所謂餓漢模式就是立即加載,一般情況下再調(diào)用getInstancef方法之前就已經(jīng)產(chǎn)生了實(shí)例,也就是在類加載的時(shí)候已經(jīng)產(chǎn)生了。這種模式的缺點(diǎn)很明顯,就是占用資源,當(dāng)單例類很大的時(shí)候,其實(shí)我們是想使用的時(shí)候再產(chǎn)生實(shí)例。因此這種方式適合占用資源少,在初始化的時(shí)候就會(huì)被用到的類。

class SingletonHungary {
  private static SingletonHungary singletonHungary = new SingletonHungary();
  //將構(gòu)造器設(shè)置為private禁止通過new進(jìn)行實(shí)例化
  private SingletonHungary() {

  }
  public static SingletonHungary getInstance() {
    return singletonHungary;
  }
}

2. 懶漢模式

懶漢模式就是延遲加載,也叫懶加載。在程序需要用到的時(shí)候再創(chuàng)建實(shí)例,這樣保證了內(nèi)存不會(huì)被浪費(fèi)。針對(duì)懶漢模式,這里給出了5種實(shí)現(xiàn)方式,有些實(shí)現(xiàn)方式是線程不安全的,也就是說在多線程并發(fā)的環(huán)境下可能出現(xiàn)資源同步問題。

首先第一種方式,在單線程下沒問題,在多線程下就出現(xiàn)問題了。

// 單例模式的懶漢實(shí)現(xiàn)1--線程不安全
class SingletonLazy1 {
  private static SingletonLazy1 singletonLazy;

  private SingletonLazy1() {

  }

  public static SingletonLazy1 getInstance() {
    if (null == singletonLazy) {
      try {
        // 模擬在創(chuàng)建對(duì)象之前做一些準(zhǔn)備工作
        Thread.sleep(1000);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      singletonLazy = new SingletonLazy1();
    }
    return singletonLazy;
  }
}

我們模擬10個(gè)異步線程測(cè)試一下:

public class SingletonLazyTest {

  public static void main(String[] args) {

    Thread2[] ThreadArr = new Thread2[10];
    for (int i = 0; i < ThreadArr.length; i++) {
      ThreadArr[i] = new Thread2();
      ThreadArr[i].start();
    }
  }

}

// 測(cè)試線程
class Thread2 extends Thread {
  @Override
  public void run() {
    System.out.println(SingletonLazy1.getInstance().hashCode());
  }
}

運(yùn)行結(jié)果:

124191239
124191239
872096466
1603289047
1698032342
1913667618
371739364
124191239
1723650563
367137303

可以看到他們的hashCode不都是一樣的,說明在多線程環(huán)境下,產(chǎn)生了多個(gè)對(duì)象,不符合單例模式的要求。

那么如何使線程安全呢?第二種方法,我們使用synchronized關(guān)鍵字對(duì)getInstance方法進(jìn)行同步。

// 單例模式的懶漢實(shí)現(xiàn)2--線程安全
// 通過設(shè)置同步方法,效率太低,整個(gè)方法被加鎖
class SingletonLazy2 {
  private static SingletonLazy2 singletonLazy;

  private SingletonLazy2() {

  }

  public static synchronized SingletonLazy2 getInstance() {
    try {
      if (null == singletonLazy) {
        // 模擬在創(chuàng)建對(duì)象之前做一些準(zhǔn)備工作
        Thread.sleep(1000);
        singletonLazy = new SingletonLazy2();
      }
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return singletonLazy;
  }
}

使用上面的測(cè)試類,測(cè)試結(jié)果:

1210004989
1210004989
1210004989
1210004989
1210004989
1210004989
1210004989
1210004989
1210004989
1210004989

可以看到,這種方式達(dá)到了線程安全。但是缺點(diǎn)就是效率太低,是同步運(yùn)行的,下個(gè)線程想要取得對(duì)象,就必須要等上一個(gè)線程釋放,才可以繼續(xù)執(zhí)行。

那我們可以不對(duì)方法加鎖,而是將里面的代碼加鎖,也可以實(shí)現(xiàn)線程安全。但這種方式和同步方法一樣,也是同步運(yùn)行的,效率也很低。

// 單例模式的懶漢實(shí)現(xiàn)3--線程安全
// 通過設(shè)置同步代碼塊,效率也太低,整個(gè)代碼塊被加鎖
class SingletonLazy3 {

  private static SingletonLazy3 singletonLazy;

  private SingletonLazy3() {

  }

  public static SingletonLazy3 getInstance() {
    try {
      synchronized (SingletonLazy3.class) {
        if (null == singletonLazy) {
          // 模擬在創(chuàng)建對(duì)象之前做一些準(zhǔn)備工作
          Thread.sleep(1000);
          singletonLazy = new SingletonLazy3();
        }
      }
    } catch (InterruptedException e) {
      // TODO: handle exception
    }
    return singletonLazy;
  }
}

我們來繼續(xù)優(yōu)化代碼,我們只給創(chuàng)建對(duì)象的代碼進(jìn)行加鎖,但是這樣能保證線程安全么?

// 單例模式的懶漢實(shí)現(xiàn)4--線程不安全
// 通過設(shè)置同步代碼塊,只同步創(chuàng)建實(shí)例的代碼
// 但是還是有線程安全問題
class SingletonLazy4 {

  private static SingletonLazy4 singletonLazy;

  private SingletonLazy4() {

  }

  public static SingletonLazy4 getInstance() {
    try {
      if (null == singletonLazy) {    //代碼1
        // 模擬在創(chuàng)建對(duì)象之前做一些準(zhǔn)備工作
        Thread.sleep(1000);
        synchronized (SingletonLazy4.class) {
          singletonLazy = new SingletonLazy4(); //代碼2
        }
      }
    } catch (InterruptedException e) {
      // TODO: handle exception
    }
    return singletonLazy;
  }
}

我們來看一下運(yùn)行結(jié)果:

1210004989
1425839054
1723650563
389001266
1356914048
389001266
1560241484
278778395
124191239
367137303

從結(jié)果看來,這種方式不能保證線程安全,為什么呢?我們假設(shè)有兩個(gè)線程A和B同時(shí)走到了‘代碼1',因?yàn)榇藭r(shí)對(duì)象還是空的,所以都能進(jìn)到方法里面,線程A首先搶到鎖,創(chuàng)建了對(duì)象。釋放鎖后線程B拿到了鎖也會(huì)走到‘代碼2',也創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象,因此多線程環(huán)境下就不能保證單例了。

讓我們來繼續(xù)優(yōu)化一下,既然上述方式存在問題,那我們?cè)谕酱a塊里面再一次做一下null判斷不就行了,這種方式就是我們的DCL雙重檢查鎖機(jī)制。

//單例模式的懶漢實(shí)現(xiàn)5--線程安全
//通過設(shè)置同步代碼塊,使用DCL雙檢查鎖機(jī)制
//使用雙檢查鎖機(jī)制成功的解決了單例模式的懶漢實(shí)現(xiàn)的線程不安全問題和效率問題
//DCL 也是大多數(shù)多線程結(jié)合單例模式使用的解決方案
//第一個(gè)if判斷的作用:是為了提高程序的 效率,當(dāng)SingletonLazy5對(duì)象被創(chuàng)建以后,再獲取SingletonLazy5對(duì)象時(shí)就不用去驗(yàn)證同步代碼塊的鎖及后面的代碼,直接返回SingletonLazy5對(duì)象
//第二個(gè)if判斷的作用:是為了解決多線程下的安全性問題,也就是保證對(duì)象的唯一。
class SingletonLazy5 {

  private static volatile SingletonLazy5 singletonLazy;

  private SingletonLazy5() {

  }

  public static SingletonLazy5 getInstance() {
    try {
      if (null == singletonLazy) {
        // 模擬在創(chuàng)建對(duì)象之前做一些準(zhǔn)備工作
        Thread.sleep(1000);
        synchronized (SingletonLazy5.class) {
          if(null == singletonLazy) {
            singletonLazy = new SingletonLazy5();
          }
        }
      }
    } catch (InterruptedException e) {
    }
    return singletonLazy;
  }
}

運(yùn)行結(jié)果:

124191239
124191239
124191239
124191239
124191239
124191239
124191239
124191239
124191239
124191239

我們可以看到DCL雙重檢查鎖機(jī)制很好的解決了懶加載單例模式的效率問題和線程安全問題。這也是我們最常用到的方式。

volatile關(guān)鍵字

這里注意到在定義singletonLazy的時(shí)候用到了volatile關(guān)鍵字,這是為了防止指令重排序的,為什么要這么做呢,我們來看一個(gè)場(chǎng)景:

代碼走到了 singletonLazy = new SingletonLazy5();看起來是一句話,但這并不是一個(gè)原子操作(要么全部執(zhí)行完,要么全部不執(zhí)行,不能執(zhí)行一半),這句話被編譯成8條匯編指令,大致做了3件事情:

1.給SingletonLazy5的實(shí)例分配內(nèi)存。

2.初始化SingletonLazy5的構(gòu)造器

3.將singletonLazy對(duì)象指向分配的內(nèi)存空間(注意到這步instance就非null了)。

由于Java編譯器允許處理器亂序執(zhí)行(out-of-order),以及JDK1.5之前JMM(Java Memory Medel)中Cache、寄存器到主內(nèi)存回寫順序的規(guī)定,上面的第二點(diǎn)和第三點(diǎn)的順序是無法保證的,也就是說,執(zhí)行順序可能是1-2-3也可能是1-3-2,如果是后者,并且在3執(zhí)行完畢、2未執(zhí)行之前,被切換到線程二上,這時(shí)候singletonLazy因?yàn)橐呀?jīng)在線程一內(nèi)執(zhí)行過了第三點(diǎn),singletonLazy已經(jīng)是非空了,所以線程二直接拿走singletonLazy,然后使用,然后順理成章地報(bào)錯(cuò),而且這種難以跟蹤難以重現(xiàn)的錯(cuò)誤估計(jì)調(diào)試上一星期都未必能找得出來。

DCL的寫法來實(shí)現(xiàn)單例是很多技術(shù)書、教科書(包括基于JDK1.4以前版本的書籍)上推薦的寫法,實(shí)際上是不完全正確的。的確在一些語言(譬如C語言)上DCL是可行的,取決于是否能保證2、3步的順序。在JDK1.5之后,官方已經(jīng)注意到這種問題,因此調(diào)整了JMM、具體化了volatile關(guān)鍵字,因此如果JDK是1.5或之后的版本,只需要將singletonLazy的定義加上volatile關(guān)鍵字,就可以保證每次都去singletonLazy都從主內(nèi)存讀取,并且可以禁止重排序,就可以使用DCL的寫法來完成單例模式。當(dāng)然volatile或多或少也會(huì)影響到性能,最重要的是我們還要考慮JDK1.42以及之前的版本,所以單例模式寫法的改進(jìn)還在繼續(xù)。

3. 靜態(tài)內(nèi)部類

基于上面的考慮,我們可以使用靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)單例模式,代碼如下:

//使用靜態(tài)內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)單例模式--線程安全
class SingletonStaticInner {
  private SingletonStaticInner() {

  }
  private static class SingletonInner {
    private static SingletonStaticInner singletonStaticInner = new SingletonStaticInner();
  }
  public static SingletonStaticInner getInstance() {
    try {
      Thread.sleep(1000);
    } catch (InterruptedException e) {
      // TODO Auto-generated catch block
      e.printStackTrace();
    }
    return SingletonInner.singletonStaticInner;
  }
}

可以看到使用這種方式我們沒有顯式的進(jìn)行任何同步操作,那他是如何保證線程安全呢?和餓漢模式一樣,是靠JVM保證類的靜態(tài)成員只能被加載一次的特點(diǎn),這樣就從JVM層面保證了只會(huì)有一個(gè)實(shí)例對(duì)象。那么問題來了,這種方式和餓漢模式又有什么區(qū)別呢?不也是立即加載么?實(shí)則不然,加載一個(gè)類時(shí),其內(nèi)部類不會(huì)同時(shí)被加載。一個(gè)類被加載,當(dāng)且僅當(dāng)其某個(gè)靜態(tài)成員(靜態(tài)域、構(gòu)造器、靜態(tài)方法等)被調(diào)用時(shí)發(fā)生。

可以說這種方式是實(shí)現(xiàn)單例模式的最優(yōu)解。

4. 靜態(tài)代碼塊

這里提供了靜態(tài)代碼塊實(shí)現(xiàn)單例模式。這種方式和第一種類似,也是一種餓漢模式。

//使用靜態(tài)代碼塊實(shí)現(xiàn)單例模式
class SingletonStaticBlock {
  private static SingletonStaticBlock singletonStaticBlock;
  static {
    singletonStaticBlock = new SingletonStaticBlock();
  }
  public static SingletonStaticBlock getInstance() {
    return singletonStaticBlock;
  }
}

5. 序列化與反序列化

LZ為什么要提序列化和反序列化呢?因?yàn)閱卫J诫m然能保證線程安全,但在序列化和反序列化的情況下會(huì)出現(xiàn)生成多個(gè)對(duì)象的情況。運(yùn)行下面的測(cè)試類,

public class SingletonStaticInnerSerializeTest {

  public static void main(String[] args) {
    try {
      SingletonStaticInnerSerialize serialize = SingletonStaticInnerSerialize.getInstance();
      System.out.println(serialize.hashCode());
      //序列化
      FileOutputStream fo = new FileOutputStream("tem");
      ObjectOutputStream oo = new ObjectOutputStream(fo);
      oo.writeObject(serialize);
      oo.close();
      fo.close();
      //反序列化
      FileInputStream fi = new FileInputStream("tem");
      ObjectInputStream oi = new ObjectInputStream(fi);
      SingletonStaticInnerSerialize serialize2 = (SingletonStaticInnerSerialize) oi.readObject();
      oi.close();
      fi.close();
      System.out.println(serialize2.hashCode());
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

}

//使用匿名內(nèi)部類實(shí)現(xiàn)單例模式,在遇見序列化和反序列化的場(chǎng)景,得到的不是同一個(gè)實(shí)例
//解決這個(gè)問題是在序列化的時(shí)候使用readResolve方法,即去掉注釋的部分
class SingletonStaticInnerSerialize implements Serializable {

  /**
   * 2018年03月28日
   */
  private static final long serialVersionUID = 1L;

  private static class InnerClass {
    private static SingletonStaticInnerSerialize singletonStaticInnerSerialize = new SingletonStaticInnerSerialize();
  }

  public static SingletonStaticInnerSerialize getInstance() {
    return InnerClass.singletonStaticInnerSerialize;
  }

//  protected Object readResolve() {
//    System.out.println("調(diào)用了readResolve方法");
//    return InnerClass.singletonStaticInnerSerialize;
//  }
}

可以看到:

865113938
1078694789

結(jié)果表明的確是兩個(gè)不同的對(duì)象實(shí)例,違背了單例模式,那么如何解決這個(gè)問題呢?解決辦法就是在反序列化中使用readResolve()方法,將上面的注釋代碼去掉,再次運(yùn)行:

865113938
調(diào)用了readResolve方法
865113938

問題來了,readResolve()方法到底是何方神圣,其實(shí)當(dāng)JVM從內(nèi)存中反序列化地"組裝"一個(gè)新對(duì)象時(shí),就會(huì)自動(dòng)調(diào)用這個(gè) readResolve方法來返回我們指定好的對(duì)象了, 單例規(guī)則也就得到了保證。readResolve()的出現(xiàn)允許程序員自行控制通過反序列化得到的對(duì)象。

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持億速云。

向AI問一下細(xì)節(jié)

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