分析Java中的單例模式

本篇內(nèi)容主要講解“分析Java中的單例模式”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“分析Java中的單例模式”吧!

WHAT

維基百科給出了解釋、實(shí)現(xiàn)的思路以及應(yīng)該注意的地方:

單例模式，也叫單子模式，是一種常用的軟件設(shè)計模式，屬于創(chuàng)建型模式的一種。在應(yīng)用這個模式時，單例對象的類必須保證只有一個實(shí)例存在。
實(shí)現(xiàn)單例模式的思路是：一個類能返回對象一個引用(永遠(yuǎn)是同一個)和一個獲得該實(shí)例的方法（必須是靜態(tài)方法，通常使用getInstance這個名稱）；當(dāng)我們調(diào)用這個方法時，如果類持有的引用不為空就返回這個引用，如果類保持的引用為空就創(chuàng)建該類的實(shí)例并將實(shí)例的引用賦予該類保持的引用；同時我們還將該類的構(gòu)造函數(shù)定義為私有方法，這樣其他處的代碼就無法通過調(diào)用該類的構(gòu)造函數(shù)來實(shí)例化該類的對象，只有通過該類提供的靜態(tài)方法來得到該類的唯一實(shí)例。
單例模式在多線程的應(yīng)用場合下必須小心使用。如果當(dāng)唯一實(shí)例尚未創(chuàng)建時，有兩個線程同時調(diào)用創(chuàng)建方法，那么它們同時沒有檢測到唯一實(shí)例的存在，從而同時各自創(chuàng)建了一個實(shí)例，這樣就有兩個實(shí)例被構(gòu)造出來，從而違反了單例模式中實(shí)例唯一的原則。解決這個問題的辦法是為指示類是否已經(jīng)實(shí)例化的變量提供一個互斥鎖(雖然這樣會降低效率)。

類圖是：

WHY

正如定義所說，單例模式就是整個內(nèi)存模型中，只有一個實(shí)例。實(shí)例少了，內(nèi)存占用就少。同時，只有一個實(shí)例，也就只需要構(gòu)建一個對象，計算就少。對于構(gòu)造過程中需要大量計算或者占用大量資源的對象，只創(chuàng)建一次，就減少了資源占用和內(nèi)存占用。

餓漢式

餓漢式是最簡單的一種實(shí)現(xiàn)，在類裝載過程中，完成實(shí)例化，避免多線程問題。

實(shí)現(xiàn)一：靜態(tài)實(shí)例參數(shù)與靜態(tài)代碼塊

public class EagerSingleton {
    private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();

    private EagerSingleton() {
    }

    public static EagerSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

根據(jù)java的特性，餓漢式還可以變種寫法，有的地方稱為靜態(tài)代碼塊方式：

public class EagerSingleton {
    private static EagerSingleton INSTANCE = null;

    static {
        INSTANCE = new EagerSingleton();
    }

    private EagerSingleton() {
    }

    public static EagerSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

這兩種方式只是在寫法上的區(qū)別，優(yōu)缺點(diǎn)沒有區(qū)別，只是借助Java語言特性的不同寫法，所以歸為一類。

餓漢式有兩個明顯的缺點(diǎn)：

1. 類裝載過程即完成實(shí)例化，如果整個應(yīng)用生命周期內(nèi)，實(shí)例沒有使用，也就是浪費(fèi)資源了。

2. 因?yàn)闆]有辦法向構(gòu)造函數(shù)傳遞不同的參數(shù)，如果需要通過個性化參數(shù)定制實(shí)例時，這種方式就不支持了。

實(shí)現(xiàn)二：靜態(tài)內(nèi)部類

針對餓漢式第一個缺點(diǎn)，我們可以借助靜態(tài)內(nèi)部類的方式，將對象實(shí)例化的時間延后。

public class EagerSingleton {
    private EagerSingleton() {
    }

    private static class EagerSingletonInstance {
        private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();
    }

    public static EagerSingleton getInstance() {
        return EagerSingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

但是，依然不能很好的解決第二個缺點(diǎn)，如果需要根據(jù)不同的參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)例，可以采用下面說的懶漢式實(shí)現(xiàn)。

懶漢式

懶漢式比餓漢式的一個優(yōu)點(diǎn)，就是能夠在使用的時候再進(jìn)行實(shí)例化。但是，餡餅總是要伴隨著陷阱，懶漢式寫法有更多的坑，一不小心就摔著了。

錯誤一：單線程實(shí)現(xiàn)

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton INSTANCE = null;

    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new LazySingleton();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

之所以定義為單線程實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)?INSTANCE==null這個判斷，一個線程通過這個判斷，開始進(jìn)行對象實(shí)例化，但是還沒有實(shí)例化完成，另一個線程又來了，這個時候，對象還沒有實(shí)例化，就也會開始進(jìn)行實(shí)例化，造成不必要的浪費(fèi)。

錯誤二：同步方法

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton INSTANCE = null;

    private LazySingleton() {
    }

    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            INSTANCE = new LazySingleton();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

這種方式解決了多線程的問題，但是也引入了新的性能問題：太慢。synchronized把整個方法包起來，也就是每個線程進(jìn)入的時候，都需要等待其他線程結(jié)束調(diào)用，才能拿到實(shí)例，在性能敏感的場景，是比較致命的。

錯誤三：同步代碼塊之單次檢查

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton INSTANCE = null;

    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (LazySingleton.class) {
                INSTANCE = new LazySingleton();
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

這種寫法看似將同步代碼縮小，但也縮小了多線程保障，也犯了第一種寫法的錯誤，屬于沒有對多線程有基本了解寫出的低級錯誤代碼。

錯誤四：同步代碼塊之雙重檢查

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton INSTANCE = null;

    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (LazySingleton.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

這種寫法在一定程度上屬于正確的寫法，雙重判斷可以很好的實(shí)現(xiàn)線程安全和延遲加載。如果到這里就結(jié)束，那就是謬以千里的毫厘之差。

雙重檢查和同步代碼塊都沒有問題，問題出在 INSTANCE=newLazySingleton()這句話。在JVM中，為了充分利用CPU計算能力，會進(jìn)行重排序優(yōu)化， INSTANCE=newLazySingleton()做了三件事：

1. 為 INSTANCE 初始化?？臻g

2. 為 LazySingleton 分配內(nèi)存空間，實(shí)例化對象

3. INSTANCE 指向 LazySingleton 實(shí)例分配的內(nèi)存空間

因?yàn)橹嘏判騼?yōu)化的存在，真正執(zhí)行的過程中，可能會出現(xiàn)1-2-3的順序，也可能出現(xiàn)1-3-2的順序。如果是1-3-2，INSTANCE 指向了 LazySingleton 實(shí)例分配的內(nèi)存空間后，就不是null，另外一個線程進(jìn)入判斷null時，就會直接返回 INSTANCE，但是這個時候 LazySingleton 實(shí)例化還沒有完成，就可能出現(xiàn)意想不到的異常。

正確：雙重檢查+阻止重排序

public class LazySingleton {
    private static volatile LazySingleton INSTANCE = null;

    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (LazySingleton.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

這種寫法比上面那種，就差在 volatile這個關(guān)鍵字。

枚舉

懶漢式和餓漢式都能夠適用于多線程并發(fā)場景，但是通過反序列化或反射可以實(shí)例化對象，這樣依然不能滿足單例模式的要求，所以可以借助枚舉實(shí)現(xiàn)，枚舉可以完美避免多線程并發(fā)問題，而且可以防止反序列化和反射創(chuàng)建新對象。第一次看到這樣定義單例模式，是在《Effective Java》中，多讀經(jīng)典書還是挺好的。

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;

    public void method1() {
        // do something
    }

    public Object method2() {
        // do something and return something else
        return new Object();
    }
}

在開發(fā)實(shí)踐中，枚舉可以滿足絕大部分場景，而且寫法簡單，定義單例的邏輯只需要三行代碼，簡潔而不簡單，三行代碼可以保證線程安全。同時枚舉的反序列化只是通過name查找對象，不會產(chǎn)生新的對象；根據(jù)JVM規(guī)范，通過反射創(chuàng)建枚舉對象時，會拋出 IllegalArgumentException異常。這樣，相當(dāng)于通過語法糖防止反序列化和反射破壞單例。

場景

1. 無狀態(tài)工具類：這種工具類不需要記錄狀態(tài)，只保證正確的應(yīng)用就行，可以通過單例模式來定義。

2. 數(shù)據(jù)共享：即多個不相關(guān)的兩個線程或者進(jìn)程之間實(shí)現(xiàn)通信。因?yàn)槭且粋€實(shí)例，如果它的屬性或者變量值被修改，所有引用都是同時修改的，當(dāng)然需要 volatile 來定義變量。比如網(wǎng)站的計數(shù)器。

3. 日志應(yīng)用：通常應(yīng)用會向日志文件寫日志信息，為了實(shí)時向文件寫，通常會使用單例模式，保證有一個實(shí)例持有文件，然后進(jìn)行操作。

4. 數(shù)據(jù)庫連接池：數(shù)據(jù)庫連接是一種數(shù)據(jù)庫資源，使用數(shù)據(jù)庫連接池，主要是節(jié)省打開或者關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接所引起的效率損耗，這種效率上的損耗還是非常昂貴的，通過單例模式來維護(hù)，就可以大大降低這種損耗。

5. Web應(yīng)用的配置對象：讀取文件需要消耗時間，如果讀取大文件，消耗的時間和資源更久，所以通過單例模式可以大大降低消耗。

6. 。。。

單例模式的場景還是比較多的，這里只是列出里幾個簡單的應(yīng)用場景，算是拋磚引玉，如果看官們有什么其他應(yīng)用場景，可以在說一說

到此，相信大家對“分析Java中的單例模式”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！