单例模式

最新推荐文章于 2024-07-06 11:20:44 发布

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设计模式-单例模式

一、定义：
单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。
二、优点：
1.某些类创建比较繁琐，对于大型的项目，这是很大的开销。
2.省去new 操作符，降低系统内存的使用频率，减轻GC（垃圾回收器）压力。
3.有些交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，只能创建一个，单例模型解决此问题。
三、单例模式：
1.饿汉模式：

public class Singleton1 {  
    /* 持有私有静态实例，防止被引用*/  
    private static Singleton1 instance = new Singleton1();  
    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton1() {}  

    /* 静态工程方法，返回Singleton实例 */  
    public static Singleton1 getInstance() {  
        return instance;  
    }  
    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    private Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}

问题：这个类是可以实现单例模式的，但是存在不少问题,比如在类中不管用户是否要使用该类的对象,就先创建好了一个实例放在内存中。
2.懒汉模式：

public class Singleton2 {  
    /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */  
    private static Singleton instance = null;  
    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton() {}  

    /* 静态工程方法，创建实例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    private Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}

问题：这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题。
3.解决多线程问题（加锁）

public class Singleton3 {  
    /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */  
    private static Singleton3 instance = null;  

    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton3() {}  

    /* 静态工程方法，创建实例 */  
    public static synchronized Singleton3 getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton3();  
        }
        return instance;  
    }   

    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}

问题：多线程只是可能在对象没产生时产生问题，一旦对象产生，其他线程调用是不需要锁的。synchronized作为修饰符在方法上使用,在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。
4.上锁的改进：

public class Singleton4 {  
    /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */  
    private static Singleton4 instance = null;  
    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton4() {}  
    /* 静态工程方法，创建实例 */  
    public static Singleton4 getInstance() {  
        if (instance == null) { 
            synchronized (Singleton4.class) {  
                if (instance == null) {  
                    instance = new Singleton4();  
                }  
            }  
        }  
        return instance;  
    }   
    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}

问题：似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了方法内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的。
看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句并非是一个原子操作,在 JVM 中这句代码大概做了下面 3件事情:
(1)给 new的对象分配内存
(2)调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
(3)将引用instance指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）
但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，另外一个线程B抢夺到了CPU的执行权,这时instance已经是非null了（但却没有初始化），所以线程B会直接返回 instance，然后使用，结果就会出现问题了(因为对象还没有初始化)。
5.对非原子操作的改进：
解决方案:使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的(就是加载完毕后别的线程才能使用)。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。

public class Singleton5 {  
    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton5() {}  
    /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton5 instance = new Singleton5();  
    }  

    /* 获取实例 */  
    public static Singleton5 getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
            return getInstance();  
    }  
}

问题：但是如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。例如，我们还可以使用反射去创建这个类的对象，即使它的构造器是私有的，我们也是可以调用到的。那么这个时候我们就需要再次修改代码去访问别人反射调用构造器。
6.对反射获取新对象的改进：

public class Singleton6 {  
    //标记位
    private volatile static boolean flag;
    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton6() {  
        if(!flag){
            flag = true;
        }else{
            throw new RuntimeException("不能多次创建单例对象");
        }
    }  
    /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton6 instance = new Singleton6();
    }  
    /* 获取实例 */  
    public static Singleton6 getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    private Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}

问题：反射的问题处理完了之后，这里还有一个问题，就是如果把单例对象进行序列化然后再反序列化,那么内存中就会出现俩个一样的单例对象，只是内存地址同。这种情况我们可以使用readResolve方法来防止。
7.序列化和反序列化解决

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.Serializable;
public class Singleton7 implements Serializable{  
    private static final long serialVersionUID = 7863921642936733566L;

    private volatile static boolean flag;
    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton7() {  
        if(!flag){
            flag = false;
        }else{
            throw new RuntimeException("不能多次创建单例对象");
        }
    }
    /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton7 instance = new Singleton7();
    }  
    /* 获取实例 */  
    public static Singleton7 getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    /* 把这个方法注释前和注释后来运行测试代码观察结果 */  
    private Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}

测试代码：

import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.InputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
public class Singleton7 implements Serializable{  
    private static final long serialVersionUID = 78923616429237696L;

    private volatile static boolean flag;
    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton7() {  
        if(!flag){
            flag = false;
        }else{
            throw new RuntimeException("不能多次创建单例对象");
        }
    }

    /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton7 instance = new Singleton7();
    }  

    /* 获取实例 */  
    public static Singleton7 getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  


    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    /* 把这个方法注释前和注释后来运行测试代码观察结果 */  
    private Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}