深入解析单例模式

  单例模式在程序设计中非常的常见,一般来说,某些类,我们希望在程序运行期间有且只有一个实例,原因可能是该类的创建需要消耗系统过多的资源、花费很多的时间,或者业务上客观就要求了只能有一个实例。一个场景就是:我们的应用程序有一些配置文件,我们希望只在系统启动的时候读取这些配置文件,并将这些配置保存在内存中,以后在程序中使用这些配置文件信息的时候不必再重新读取。

定义:

  由于某种需要,要保证一个类在程序的生命周期当中只有一个实例,并且提供该实例的全局访问方法。

结构:

  一般包含三个要素:

  1.私有的静态的实例对象 private static instance

  2.私有的构造函数(保证在该类外部,无法通过new的方式来创建对象实例) private Singleton(){}

  3.公有的、静态的、访问该实例对象的方法 public static Singleton getInstance(){}

UML类图:

分类:

  单例模式就实例的创建时机来划分可分为:懒汉式与饥汉式两种。

  举个日常生活中的例子:

    妈妈早上起来为我们做饭吃,饭快做好的时候,一般都会叫我们起床吃饭,这是一般的日常情况。如果饭还没有好的时候,我们就自己起来了(这时候妈妈还没有叫我们起床),这种情况在单例模式中称之为饥汉式(妈妈还没有叫我们起床,我们自己就起来的,就是外部还没有调用自己,自己的实例就已经创建好了)。如果饭做好了,妈妈叫我们起床之后,我们才慢吞吞的起床,这种情况在单例模式中称之为懒汉式(饭都做好了,妈妈叫你起床之后,自己才起的,能不懒汉吗?就是外部对该类的方法发出调用之后,该实例才建立的)。

  懒汉式:顾名思义懒汉式就是应用刚启动的时候,并不创建实例,当外部调用该类的实例或者该类实例方法的时候,才创建该类的实例。是以时间换空间。

  懒汉式的优点:实例在被使用的时候才被创建,可以节省系统资源,体现了延迟加载的思想

  延迟加载:通俗上将就是:一开始的时候不加载资源,一直等到马上就要使用这个资源的时候,躲不过去了才加载,这样可以尽可能的节省系统资源。

      懒汉式的缺点:由于系统刚启动时且未被外部调用时,实例没有创建;如果一时间有多个线程同时调用LazySingleton.getLazyInstance()方法很有可能会产生多个实例。

         也就是说下面的懒汉式在多线程下,是不能保持单例实例的唯一性的,要想保证多线程下的单例实例的唯一性得用同步,同步会导致多线程下由于争夺锁资源,运行效率不高。

  饥汉式:顾名思义懒汉式就是应用刚启动的时候,不管外部有没有调用该类的实例方法,该类的实例就已经创建好了。以空间换时间。

  饥汉式的优点:写法简单,在多线程下也能保证单例实例的唯一性,不用同步,运行效率高。

  饥汉式的缺点:在外部没有使用到该类的时候,该类的实例就创建了,若该类实例的创建比较消耗系统资源,并且外部一直没有调用该实例,那么这部分的系统资源的消耗是没有意义的。

 下面是懒汉式单例类的演示代码:

 1 package singleton;
 2 
 3 /**
 4  * 懒汉式单例类
 5  */
 6 public class LazySingleton {
 7 
 8     //私有化构造函数,防止在该类外部通过new的形式创建实例
 9     private LazySingleton() {
10         System.out.println("生成LazySingleton实例一次!");
11     }
12 
13     //私有的、静态的实例,设置为私有的防止外部直接访问该实例变量,设置为静态的,说明该实例是LazySingleton类型的唯一的
14     //若开始时,没有调用访问实例的方法,那么实例就不会自己创建
15     private static LazySingleton lazyInstance = null;
16 
17     //公有的访问单例实例的方法,当外部调用访问该实例的方法时,实例才被创建
18     public static LazySingleton getLazyInstance() {
19         //若实例还没有创建,则创建实例;若实例已经被创建了,则直接返回之前创建的实例,即不会返回2个实例
20         if (lazyInstance == null) {
21             lazyInstance = new LazySingleton();
22         }
23         return lazyInstance;
24     }
25 }

下面测试类:

 1 package singleton;
 2 
 3 
 4 public class SingletonTest {
 5     public static void main(String[] args) {
 6         LazySingleton lazyInstance1 = LazySingleton.getLazyInstance();
 7         LazySingleton lazyInstance2 = LazySingleton.getLazyInstance();
 8         LazySingleton lazyInstance3 = LazySingleton.getLazyInstance();
 9     }
10 }

在上面的测试类SingletonTest 里面,连续调用了三次LazySingleton.getLazyInstance()方法,

控制台输出:

生成LazySingleton实例一次!

 

下面代码演示饥汉式单例实现:

 1 package singleton;
 2 
 3 public class NoLazySingleton {
 4 
 5     //私有化构造函数,防止在该类外部通过new的形式创建实例
 6     private NoLazySingleton(){
 7         System.out.println("创建NoLazySingleton实例一次!");
 8     }
 9 
10     //私有的、静态的实例,设置为私有的防止外部直接访问该实例变量,设置为静态的,说明该实例是LazySingleton类型的唯一的
11     //当系统加载NoLazySingleton类文件的时候,就创建了该类的实例
12     private static NoLazySingleton instance = new NoLazySingleton();
13 
14     //公有的访问单例实例的方法
15     public static NoLazySingleton getInstance(){
16         return instance;
17     }
18 }

测试代码:

package singleton;

public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        NoLazySingleton instance = NoLazySingleton.getInstance();
        NoLazySingleton instance1 = NoLazySingleton.getInstance();
        NoLazySingleton instanc2 = NoLazySingleton.getInstance();
        NoLazySingleton instanc3 = NoLazySingleton.getInstance();
    }
}

控制台输出:

创建NoLazySingleton实例一次!

 

上面说到了懒汉式在多线程环境下面是有问题的,下面演示这个多线程环境下很有可能出现的问题:

 1 package singleton;
 2 
 3 /**
 4  * 懒汉式单例类
 5  */
 6 public class LazySingleton {
 7 
 8     //为了易于模拟多线程下,懒汉式出现的问题,我们在创建实例的构造函数里面使当前线程暂停了50毫秒
 9     private LazySingleton() {
10         try {
11             Thread.sleep(50);
12         } catch (InterruptedException e) {
13             e.printStackTrace();
14         }
15         System.out.println("生成LazySingleton实例一次!");
16     }
17 
18     private static LazySingleton lazyInstance = null;
19 
20     public static LazySingleton getLazyInstance() {
21         if (lazyInstance == null) {
22             lazyInstance = new LazySingleton();
23         }
24         return lazyInstance;
25     }
26 }

下面是测试代码: 我们在测试代码里面 新建了10个线程,让这10个线程同时调用LazySingleton.getLazyInstance()方法

 1 package singleton;
 2 
 3 public class SingletonTest {
 4     public static void main(String[] args) {
 5         for (int i = 0; i < 10; i++) {
 6              new Thread(){
 7                 @Override
 8                 public void run() {
 9                     LazySingleton.getLazyInstance();
10                 }
11             }.start();
12         }
13     }
14 }

结果控制台输出:

生成LazySingleton实例一次!
生成LazySingleton实例一次!
生成LazySingleton实例一次!
生成LazySingleton实例一次!
生成LazySingleton实例一次!
生成LazySingleton实例一次!
生成LazySingleton实例一次!
生成LazySingleton实例一次!
生成LazySingleton实例一次!
生成LazySingleton实例一次!

没错,你没有看错,控制台输出了10次,表示懒汉式单例模式在10个线程同时访问的时候,创建了10个实例,这足以说明懒汉式单例在多线程下已不能保持其实例的唯一性。

那为什么多线程下懒汉式单例会失效?我们下面分析原因:

  我们不说这么多的线程,就说2个线程同时访问上面的懒汉式单例,现在有两个线程A和B同时访问LazySingleton.getLazyInstance()方法。

假设A先得到CPU的时间切片,A执行到21行处 if (lazyInstance == null) 时,由于lazyInstance 之前并没有实例化,所以lazyInstance == null为true,在还没有执行22行实例创建的时候

此时CPU将执行时间分给了线程B,线程B执行到21行处 if (lazyInstance == null) 时,由于lazyInstance 之前并没有实例化,所以lazyInstance == null为true,线程B继续往下执行实例的创建过程,线程B创建完实例之后,返回。

此时CPU将时间切片分给线程A,线程A接着开始执行22行实例的创建,实例创建完之后便返回。由此看线程A和线程B分别创建了一个实例(存在2个实例了),这就导致了单例的失效。

 

那如何将懒汉式单例在多线程下正确的发挥作用呢?当然是在访问单例实例的方法处进行同步了

下面是线程安全的懒汉式单例的实现:

 1 package singleton;
 2 
 3 
 4 public class SafeLazySingleton {
 5 
 6     private SafeLazySingleton(){
 7         System.out.println("生成SafeLazySingleton实例一次!");
 8     }
 9 
10     private static SafeLazySingleton instance = null;
11    //1.对整个访问实例的方法进行同步
12     public synchronized static SafeLazySingleton getInstance(){
13         if (instance == null) {
14             instance = new SafeLazySingleton();
15         }
16         return instance;
17     }
    //2.对必要的代码块进行同步
18 public static SafeLazySingleton getInstance1(){ 19 if (instance == null) { 20 synchronized (SafeLazySingleton.class){ 21 if (instance == null) { 22 instance = new SafeLazySingleton(); 23 } 24 } 25 } 26 return instance; 27 } 28 }

 对方法同步:

上面的实现 在12行对访问单例实例的整个方法用了synchronized 关键字进行方法同步,这个缺点很是明显,就是锁的粒度太大,很多线程同时访问的时候导致阻塞很严重。

对代码块同步:

在18行的方法getInstance1中,只是对必要的代码块使用了synchronized关键字,注意由于方法时static静态的,所以监视器对象是SafeLazySingleton.class

同时我们在19行和21行,使用了实例两次非空判断,一次在进入synchronized代码块之前,一次在进入synchronized代码块之后,这样做是有深意的。

肯定有小伙伴这样想:既然19行进行了实例非空判断了,进入synchronized代码块之后就不必再次进行非空判断了,如果这样做的话,会导致什么问题?我们来分析一下:

同样假设我们有两个线程A和B,A获取CPU时间片段,在执行到19行时,由于之前没有实例化,所以instance == null 为true,然后A获得监视器对象SafeLazySingleton.class的锁,A进入synchronized代码块里面;

与此同时线程B执行到19行,此时线程A还没有执行实例化动作,所以此时instance == null 为true,B想进入同步块,但是发现锁在线程A手里,所以B只能在同步块外面等待。此时线程A执行实例化动作,实例化结束之后,返回该实例。

随着线程A退出同步块,A也释放了锁,线程B就获得了该锁,若此时不进行第二次非空判断,会导致线程B也实例化创建一个实例,然后返回自己创建的实例,这就导致了2个线程访问创建了2个实例,导致单例失效。若进行第二次非空判断,发现线程A已经创建了实例,instance == null已经不成立了,则直接返回线程A创建的实例,这样就避免了单例的失效。

 

有细心的网友会发现即便去掉19行非空判断,多线程下单例模式一样有效:

  线程A获取监视器对象的锁,进入了同步代码块,if(instance == null) 成立,然后A创建了一个实例,然后退出同步块,返回。这时在同步块外面等待的线程B,获取了锁进入同步块,执行if(instance == null)发现instance已经有值了不再是空了,然后直接退出同步块,返回。

  既然去掉19行,多线程下单例模式一样有效,那为什么还要有进入同步块之前的非空判断(19行)?这应该主要是考虑到多线程下的效率问题:

  我们知道使用synchronized关键字进行同步,意味着就是独占锁,同一时刻只能有一个线程执行同步块里面的代码,还要涉及到锁的争夺、释放等问题,是很消耗资源的。单例模式,构造函数只会被调用一次。如果我们不加19行,即不在进入同步块之前进行非空判断,如果之前已经有线程创建了该类的实例了,那每次的访问该实例的方法都会进入同步块,这会非常的耗费性能.如果进入同步块之前加上了非空判断,发现之前已经有线程创建了该类的实例了,那就不必进入同步块了,直接返回之前创建的实例即可。这样就基本上解决了线程同步导致的性能问题。

 

多线程下单例的优雅的解决方案:

上面的实现使用了synchronized同步块,并且用了双重非空校验,这保证了懒汉式单例模式在多线程环境下的有效性,但这种实现感觉还是不够好,不够优雅。

下面介绍一种优雅的多线程下单例模式的实现方案:

 1 package singleton;
 2 
 3 public class GracefulSingleton {
 4     private GracefulSingleton(){
 5         System.out.println("创建GracefulSingleton实例一次!");
 6     }
 7     
     //类级的内部类,也就是静态的成员式内部类,该内部类的实例与外部类的实例没有绑定关系,而且只有被调用到才会装载,从而实现了延迟加载 8 private static class SingletonHoder{
       //静态初始化器,由JVM来保证线程安全
9 private static GracefulSingleton instance = new GracefulSingleton(); 10 } 11 12 public static GracefulSingleton getInstance(){ 13 return SingletonHoder.instance; 14 } 15 }

上面的实现方案使用一个内部类来维护单例类的实例,当GracefulSingleton被加载的时候,其内部类并不会被初始化,所以可以保证当GracefulSingleton被装载到JVM的时候,不会实例化单例类,当外部调用getInstance方法的时候,才会加载内部类SingletonHoder,从而实例化instance,同时由于实例的建立是在类初始化时完成的,所以天生对多线程友好,getInstance方法也不需要进行同步。

 

单例模式本质上是控制单例类的实例数量只有一个,有些时候我们可能想要某个类特定数量的实例,这种情况可以看做是单例模式的一种扩展情况。比如我们希望下面的类SingletonExtend只有三个实例,我们可以利用Map来缓存这些实例。

 

 1 package singleton;
 2 
 3 import java.util.HashMap;
 4 import java.util.Map;
 5 
 6 public class SingletonExtend {
 7     //装载SingletonExtend实例的容器
 8     private static final Map<String,SingletonExtend> container = new HashMap<String, SingletonExtend>();
 9     //SingletonExtend类最多拥有的实例数量
10     private static final int MAX_NUM = 3;
11     //实例容器中元素的key的开始值
12     private static String CACHE_KEY_PRE = "cache";
13     private static int initNumber = 1;
14     private SingletonExtend(){
15         System.out.println("创建SingletonExtend实例1次!");
16     }
17 
18     //先从容器中获取实例,若实例不存在,在创建实例,然后将创建好的实例放置在容器中
19     public static SingletonExtend getInstance(){
20         String key = CACHE_KEY_PRE+ initNumber;
21         SingletonExtend singletonExtend = container.get(key);
22         if (singletonExtend == null) {
23             singletonExtend = new SingletonExtend();
24             container.put(key,singletonExtend);
25         }
26         initNumber++;
27         //控制容器中实例的数量
28         if (initNumber > 3) {
29             initNumber = 1;
30         }
31         return singletonExtend;
32     }
33 
34     public static void main(String[] args) {
35         SingletonExtend instance = SingletonExtend.getInstance();
36         SingletonExtend instance1 = SingletonExtend.getInstance();
37         SingletonExtend instance2 = SingletonExtend.getInstance();
38         SingletonExtend instance3 = SingletonExtend.getInstance();
39         SingletonExtend instance4 = SingletonExtend.getInstance();
40         SingletonExtend instance5 = SingletonExtend.getInstance();
41         SingletonExtend instance6 = SingletonExtend.getInstance();
42         SingletonExtend instance7 = SingletonExtend.getInstance();
43         SingletonExtend instance8 = SingletonExtend.getInstance();
44         SingletonExtend instance9 = SingletonExtend.getInstance();
45         System.out.println(instance);
46         System.out.println(instance1);
47         System.out.println(instance2);
48         System.out.println(instance3);
49         System.out.println(instance4);
50         System.out.println(instance5);
51         System.out.println(instance6);
52         System.out.println(instance7);
53         System.out.println(instance8);
54         System.out.println(instance9);
55     }
56 }

 

控制台输出:

创建SingletonExtend实例1次!
创建SingletonExtend实例1次!
创建SingletonExtend实例1次!
singleton.SingletonExtend@3a3ee284
singleton.SingletonExtend@768965fb
singleton.SingletonExtend@36867e89
singleton.SingletonExtend@3a3ee284
singleton.SingletonExtend@768965fb
singleton.SingletonExtend@36867e89
singleton.SingletonExtend@3a3ee284
singleton.SingletonExtend@768965fb
singleton.SingletonExtend@36867e89
singleton.SingletonExtend@3a3ee284

从控制台输出情况可以看到 我们成功的控制了SingletonExtend的实例数据只有三个

 

下面就单例模式总结一下:

我们讲了什么是单例模式,它的结构是怎么样的,并且给出了单例的类图,讲了单例的分类:懒汉式和饥汉式,分别讲了它们在单线程、多线程环境下的实现方式,它们的优点和缺点,以及优雅的单例模式的实现,最后讲了单例模式的扩展,小伙伴们你们清楚了吗?

 

posted @ 2016-01-14 17:49 路易小七 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏