【趣味设计模式系列】之【单例模式】

1. 简介

单例模式（Singleton）：确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

2. 图解

类图如下：

3. 案例实现

单例特点：

外部类不能随便对单例类创建，故单例的构造方法必须为private，在类的内部自行实例化;
提供一个public方法入口，作为唯一调用单例类的途径得到实例。

3.1 饿汉式

package com.wzj.singleton;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/2/13 12:41
 * @Desc: 饿汉式
 *  类加载到内存后，就实例化一个单例，JVM保证线程安全
 *  唯一缺点：不管用到与否，类装载时就完成实例化
 */
public class HungrySingleton {

    private static final HungrySingleton HUNGRY_SINGLETON = new HungrySingleton();

    /**
     * 私有构造方法，只有本类才能调用
     */
    private HungrySingleton() {

    }

    public static HungrySingleton getInstance() {
        return HUNGRY_SINGLETON;
    }

    public static void main(String[] args) {
        HungrySingleton h1 = HungrySingleton.getInstance();
        HungrySingleton h2 = HungrySingleton.getInstance();
        System.out.println(h1 == h2);
    }
}

执行结果：

true

分析：类加载到内存，就实例化一个单例，通过final的静态变量保证唯一实例。
优点：线程安全。
缺点：不管是否用到，类装载时就完成实例化。

3.2 懒汉式

package com.wzj.singleton;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/2/13 12:50
 * @Desc: 懒汉式-线程不安全
 */
public class LazySingleton {

    private static LazySingleton LAZY_SINGLETON;

    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (null == LAZY_SINGLETON) {
            //睡眠1毫秒，在new对象前，增加被其他线程打断的机会，保证能被多个线程执行
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            LAZY_SINGLETON = new LazySingleton();
        }

        return LAZY_SINGLETON;
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->
                    System.out.println(LAZY_SINGLETON.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

执行结果

分析：懒加载在调用getInstace方法的时候创建实例，通过100个线程测试发现其hashcode并不相等，并不是单例。
优点：改善了饿汉式中实例不用也加载的弊端。
缺点：引入了新的问题，线程不安全，并不能保证单例

3.3 synchronized修饰方法单例

package com.wzj.singleton;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/2/13 13:50
 * @Desc: 懒汉式-线程安全
 * 通过synchronized解决，但获取锁带来性能开销，效率下降
 */
public class ThreadSafeSingleton {

    private static ThreadSafeSingleton LAZY_SINGLETON;

    private ThreadSafeSingleton() {
    }

    public static synchronized ThreadSafeSingleton getInstance() {
        if (null == LAZY_SINGLETON) {
            //睡眠1毫秒，在new对象前，增加被其他线程打断的机会，保证能被多个线程执行
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            LAZY_SINGLETON = new ThreadSafeSingleton();
        }

        return LAZY_SINGLETON;
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->
                    System.out.println(LAZY_SINGLETON.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

执行结果

分析：通过synchronized关键字保证线程安全。
优点：线程安全，保证单例。
缺点：方法上加锁导致性能开销。

3.4 synchronized修饰代码块的单例

package com.wzj.singleton;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/2/13 13:50
 * @Desc: 懒汉式-线程不安全
 *  试图通过减小同步代码块的方式提高效率，带来了线程不安全
 */
public class ThreadUnSafeSingleton {

    private static ThreadUnSafeSingleton LAZY_SINGLETON;

    private ThreadUnSafeSingleton() {
    }

    public static  ThreadUnSafeSingleton getInstance() {
        if (null == LAZY_SINGLETON) {
            //试图通过减小同步代码块的方式提高效率，带来了线程不安全
            synchronized (ThreadUnSafeSingleton.class) {
                //睡眠1毫秒，在new对象前，增加被其他线程打断的机会，保证能被多个线程执行
                try {
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                LAZY_SINGLETON = new ThreadUnSafeSingleton();
            }

        }

        return LAZY_SINGLETON;
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->
                    System.out.println(LAZY_SINGLETON.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

结果：

分析：试图通过减小同步代码块的方式提高效率，带来了线程不安全。
优点：减小了加锁的范围，提高了性能。
缺点：线程不安全，结果显示不能保证单例。

3.5 双重检测安全单例

package com.wzj.singleton;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/2/13 13:50
 * @Desc: 双重检测下线程安全
 *
 */
public class DoubleCheckedThreadSafeSingleton {
    
    private volatile static DoubleCheckedThreadSafeSingleton LAZY_SINGLETON;

    private DoubleCheckedThreadSafeSingleton() {
    }

    public static DoubleCheckedThreadSafeSingleton getInstance() {
        if (null == LAZY_SINGLETON) {
            //试图通过减小同步代码块的方式提高效率，带来了线程不安全
            synchronized (DoubleCheckedThreadSafeSingleton.class) {
                if (null == LAZY_SINGLETON) {
                    //睡眠1毫秒，在new对象前，增加被其他线程打断的机会，保证能被多个线程执行
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    LAZY_SINGLETON = new DoubleCheckedThreadSafeSingleton();
                }
            }

        }

        return LAZY_SINGLETON;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->
                    System.out.println(LAZY_SINGLETON.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

执行结果

分析：第一个判空语句if (null == LAZY_SINGLETON)，用来检测如果内存中有单例生成以后，永不进入下面的代码，直接走return语句返回已有的单例，第二个判空语句，保证当前线程拿到锁的前后，内存中都没有单例，才执行创建单例操作，防止中途被其他线程创建单例，进而重复创建；volatile关键字保证在执行语句LAZY_SINGLETON = new DoubleCheckedThreadSafeSingleton() 时，可以分解为如下的3行伪代码。

memory = allocate();　　// 1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory);　// 2：初始化对象
instance = memory;　　// 3：设置instance指向刚分配的内存地址

上面3行伪代码中的2和3之间，可能会被重排序（在一些JIT编译器上，这种重排序是真实发生的）。2和3之间重排序之后的执行时序如下。

memory = allocate();　　// 1：分配对象的内存空间
instance = memory;　　// 3：设置instance指向刚分配的内存地址
// 注意，此时对象还没有被初始化！
ctorInstance(memory);　// 2：初始化对象

上面的代码在编译器运行时，可能会出现重排序从1-2-3 排序为1-3-2，如果发生重排序，另一个并发执行的线程B就有可能在判断instance不为null。线程B接下来将访问instance所引用的对象，但此时这个对象可能还没有被A线程初始化！

优点：保证单例与线程安全。
缺点：增加了代码的复杂度。

3.6 内部静态类单例

package com.wzj.singleton;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/2/13 15:45
 * @Desc:  静态内部类方式
 *  JVM保证单例
 *  加载外部类时不会加载内部类，这样可以实现懒加载
 */
public class InnerStaticClassSingleton {

    private InnerStaticClassSingleton() {

    }

    //内部静态类
    private static class InnerStaticClassSingletonHolder {
        private static final InnerStaticClassSingleton INSTANCE = new InnerStaticClassSingleton();
    }

    public static InnerStaticClassSingleton getInstance() {
        return InnerStaticClassSingletonHolder.INSTANCE;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() ->
                    System.out.println(InnerStaticClassSingleton.getInstance().hashCode())
            ).start();
        }
    }
}

执行结果：

分析：因为虚拟机加载类的时候只加载一次，并且加载外部类时不会加载内部类，只有调用getInstance方法的时候，内部类才被加载，所以内部类的静态变量也只加载一次，JVM保证了单例与线程安全。
优点：线程安全。
缺点：无。

3.7 枚举单例

package com.wzj.singleton;

/**
 * @Author: wzj
 * @Date: 2020/2/13 16:05
 * @Desc: 枚举实现，既可以保证线程安全，还可以防止反序列化。
 */
public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    public static void main(String[] args) {
        for(int i=0; i<100; i++) {
            new Thread(()->{
                System.out.println(EnumSingleton.INSTANCE.hashCode());
            }).start();
        }
    }
}

优点：线程安全，同时保证不被反序列化，因为枚举类型没有构造方法，不能反序列化后创建对象。
缺点：写法优点怪异。

4. 框架源码分析

以下源码分析基于Spring5.0.6 RELEASE。DefaultSingletonBeanRegistry.class部分源码如下.

    @Nullable
    public Object getSingleton(String beanName) {
        return this.getSingleton(beanName, true);
    }

    @Nullable
    protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
		// 从单例缓存容器中加载 bean
        Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
		// 单例缓存容器中的 bean 为空，且当前 bean 正在创建
        if (singletonObject == null && this.isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
			// 加锁
            synchronized(this.singletonObjects) {
				// 从 earlySingletonObjects 容器中获取
                singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
				// earlySingletonObjects容器中没有，且允许提前创建
                if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
					// 从 singletonFactories 中获取对应的 ObjectFactory
                    ObjectFactory<?> singletonFactory = (ObjectFactory)this.singletonFactories.get(beanName);
                    // ObjectFactory 不为空，则创建 bean
					if (singletonFactory != null) {
						// 获取 bean
                        singletonObject = singletonFactory.getObject();
						// 添加 bean 到 earlySingletonObjects 中
                        this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
						// 从 singletonFactories 中移除对应的 ObjectFactory
                        this.singletonFactories.remove(beanName);
                    }
                }
            }
        }

        return singletonObject;
    }

第一步，从singletonObjects 中，获取 Bean 对象。
第二步，若为空且当前bean正在创建中，则从earlySingletonObjects中获取Bean对象。
第三步，若为空且允许提前创建，则从singletonFactories中获取相应的ObjectFactory对象。若不为空，则调用其ObjectFactory的getObject(String name)方法，创建Bean对象，然后将其加入到earlySingletonObjects ，然后从singletonFactories删除。
由此可见，Spring在创建单例bean的时候，采用的是双重检测加锁机制创建bean的。

5. 单例与静态方法的比较

单例支持延迟加载，静态类第一次加载就初始化；
单例常驻内存，除非JVM退出，静态方法中的对象，会随着静态方法执行完被释放，gc回收。

6. 应用场景

数据库连接池，因为频繁建立或者关闭数据库连接，损耗性能非常大，因为何用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗；
线程池，因为线程是一种稀缺资源，频繁创建线程，会导系统开销增大，线程之间的频繁切换也导致性能下降，由统一的线程池管理线程；
开发中常用的配置工具类，因为配置类是共享的资源；
日志应用，因为日志属于工享文件，一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加；
Windows的任务管理器，多次打开只会弹出一个对话框，确保系统由一个任务管理器管理；
网站的计数器，如果多个，计数难以同步；
综上，单例应用在共享资源上，要么方便管理，要么节约性能，避免不必要的性能开销。

7. 总结

单例的具体写法，需要结合场景与业务要求，确认是否支持线程安全，是否支持延迟加载，单例比较简单的写法是饿汉式，唯一的不足是不支持懒加载，还有静态内部类；比较完美的写法是双重检测加锁，虽然写法复杂，但支持延迟加载，线程安全，也是Spring源码使用的方式。

posted @ 2020-02-14 11:09 小猪爸爸阅读(460) 评论(0) 编辑收藏举报

会员力量，点亮园子希望

刷新页面返回顶部

小猪爸爸

不要为了技术而技术，总结分享技术，感恩点滴生活！

【趣味设计模式系列】之【单例模式】

1. 简介

2. 图解

3. 案例实现

3.1 饿汉式

3.2 懒汉式

3.3 synchronized修饰方法单例

3.4 synchronized修饰代码块的单例

3.5 双重检测安全单例

3.6 内部静态类单例

3.7 枚举单例

4. 框架源码分析

5. 单例与静态方法的比较

6. 应用场景

7. 总结

公告