【设计模式】单例模式

长时间没有用java单实例模式,现在想起来有点忘了,发些东西大家一起熟悉下。

单实例Singleton设计模式可能是被讨论和使用的最广泛的一个设计模式了,这可能也是面试中问得最多的一个设计模式了。这个设计模式主要目的是想在整个系统中只能出现一个类的实例。这样做当然是有必然的,比如你的软件的全局配置信息,或者是一个Factory,或是一个主控类,等等。你希望这个类在整个系统中只能出现一个实例。

Singleton的教学版本

这里,我将直接给出一个Singleton的简单实现,因为我相信你已经有这方面的一些基础了。我们姑且把这具版本叫做1.0版

// version 1.0
public class Singleton {
	private static final Singleton singleton = null;

	private Singleton() {
	}
	
	public static Singleton getInstance(){
		if (singleton == null){
			singleton = new Singleton();
		}
		return singleton;
	}
}


在上面的实例中,我想说明下面几个Singleton的特点:

   1. 私有(private)的构造函数,表明这个类是不可能形成实例了。这主要是怕这个类会有多个实例。
   2. 即然这个类是不可能形成实例,那么,我们需要一个静态的方式让其形成实例:getInstance()。注意这个方法是在new自己,因为其可以访问私有的构造函数,所以他是可以保证实例被创建出来的。
   3. 在getInstance()中,先做判断是否已形成实例,如果已形成则直接返回,否则创建实例。
   4. 所形成的实例保存在自己类中的私有成员中。
   5. 我们取实例时,只需要使用Singleton.getInstance()就行了。

当然,如果你觉得知道了上面这些事情后就学成了,那我给你当头棒喝一下了,事情远远没有那么简单。
Singleton的实际版本

上面的这个程序存在比较严重的问题,因为是全局性的实例,所以,在多线程情况下,所有的全局共享的东西都会变得非常的危险,这个也一样,在多线程情况下,如果多个线程同时调用getInstance()的话,那么,可能会有多个进程同时通过 (singleton== null)的条件检查,于是,多个实例就创建出来,并且很可能造成内存泄露问题。嗯,熟悉多线程的你一定会说——“我们需要线程互斥或同步”,没错,我们需要这个事情,于是我们的Singleton升级成1.1版,如下所示:

// version 1.1
public class Singleton {

	private static final Singleton singleton = null;

	private Singleton() {
		//do nothing
	}
	
	public static Singleton getInstance() {
		if (singleton == null) {
			synchronized (Singleton.class) {
			singleton = new Singleton();
			}
		}
		return singleton;
	}
}


嗯,使用了Java的synchronized方法,看起来不错哦。应该没有问题了吧?!错!这还是有问题!为什么呢?前面已经说过,如果有多个线程同时通过(singleton== null)的条件检查(因为他们并行运行),虽然我们的synchronized方法会帮助我们同步所有的线程,让我们并行线程变成串行的一个一个去 new,那不还是一样的吗?同样会出现很多实例。嗯,确实如此!看来,还得把那个判断(singleton== null)条件也同步起来。于是,我们的Singleton再次升级成1.2版本,如下所示:

// version 1.2
public class Singleton {

	private static final Singleton singleton = null;

	private Singleton() {
	//do nothing
	}
	
	public static Singleton getInstance() {
		synchronized (Singleton.class) {
			if (singleton == null) {
				singleton = new Singleton();
			}
		}
	return singleton;
	}
}


现在,只要是进入 getInstance()的线程都得同步啊,注意,创建对象的动作只有一次,后面的动作全是读取那个成员变量,这些读取的动作不需要线程同步啊。严重影响后续的性能啊!

还得改!嗯,看来,在线程同步前还得加一个(singleton== null)的条件判断,如果对象已经创建了,那么就不需要线程的同步了。OK,下面是1.3版的Singleton。

// version 1.3
public class Singleton {
	private static final Singleton singleton = null;

	private Singleton() {
		//do nothing
	}
	public static Singleton getInstance() {
		if (singleton == null) { //读操作不需要线程同步
			synchronized (Singleton.class) {
				if (singleton == null) { //创建实例时线程同步
					singleton = new Singleton();
				}
			}
		}
		return singleton;
	}
}


感觉代码开始变得有点罗嗦和复杂了,不过,这可能是最不错的一个版本了,这个版本又叫“双重检查”Double-Check。下面是说明:

   1. 第一个条件是说,如果实例创建了,那就不需要同步了,直接返回就好了。
   2. 不然,我们就开始同步线程。
   3. 第二个条件是说,如果被同步的线程中,有一个线程创建了对象,那么别的线程就不用再创建了。

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