Design Pattern 1: Singleton

最新推荐文章于 2024-06-18 16:40:28 发布

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本文详细介绍了单例模式的实现方式，包括懒汉式、饿汉式、静态内部类及枚举等方式，并探讨了线程安全性和延迟加载的重要性。

概念：单例模式确保某一个类只有一个实例，并且自行实例化向整个系统提供这个实例。
实现要点：

构造器声明为private来隐藏，防止其他类调用
private static Singleton实例
获取实例方法声明为public来供系统调用

设计单例类的目标：

延迟加载-lazy loading
调用效率
线程安全

懒汉

可以达到lazy-loading，线程不安全，实际不会使用

public class Singleton1 {
    private static Singleton1 instance;
    private Singleton1(){}
    public static Singleton1 getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton1();
        }
        return instance;
    }
}

懒汉，线程安全

Singleton1的线程安全版本，虽然线程安全但是效率太低，实际中也不会使用，因为对象只有在初始化时需要同步，多数情况下并不需要互斥的获得对象，这种加锁方式会造成巨大无意义的资源消耗，Singleton7的双重校验锁方式对此进行了优化。

public class Singleton2 {
    private static Singleton2 instance;
    private Singleton2(){};
    public static synchronized Singleton2 getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton2();
        }
        return instance;
    }
}

饿汉

没有做到lazy-loading，实际中这种方式会造成资源浪费，因为系统中很多的类的实例都不会用到，加载类时就实例化太浪费！但是这种方式是线程安全的。

public class Singleton3 {
    private static Singleton3 instance = new Singleton3();
    private Singleton3(){}
    public static Singleton3 getInstance(){
        return instance;
    }
}
//另一种方式
public class Singleton4 {
    private static Singleton4 instance = null;
    static {
        instance = new Singleton4();
    }
    private Singleton4(){}
    public static Singleton4 getInstance(){
        return instance;
    }
}

静态内部类

与上种方式的区别是加了个内部类，这样加载类时并不会实例化instance，只有显式的调用getInstance方法的时候才会实例化，巧妙利用了Java虚拟机的类加载机制，既做到了线程安全，有做到了lazy-loading，实际应用中这种方式是比较推荐的。

public class Singleton5 {
    private static class SingletonHolder{
        private static Singleton5 INSTANCE = new Singleton5();
    }
    private Singleton5(){}
    public static Singleton5 getInstance(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

枚举方式

这种方式不仅避免多线程同步问题，还防止反序列化重新创建新的对象

public enum  Singleton6 {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod(){}
}

双重校验锁

该方式确保了只有在初始化的时候需要同步，当初始化完成后，再次调用getInstance不会再进入synchronized块。（对Singleton2的改进）但这种方式也被很多人诟病，实际中依然不会采用。
注意这里的instance声明为volatile的必要性：
防止指令重排
由于初始化操作 instance=new Singleton()是非原子操作的，主要包含三个过程
1. 给instance分配内存
2. 调用构造函数初始化instance
3. 将instance指向分配的空间（instance指向分配空间后，instance就不为空了）
虽然synchronized块保证了只有一个线程进入同步块，但是在同步块内部JVM出于优化需要可能进行指令重排，例如（1->3->2），instance还没有初始化之前其他线程就会在外部检查到instance不为null，而返回还没有初始化的instance，从而造成逻辑错误。

变量可见性
volatile类型变量可以保证写入对于读取的可见性，JVM不会将volatile变量上的操作与其他内存操作一起重新排序，volatile变量不会被缓存在寄存器，因此保证了检测instance状态时总是检测到instance的最新状态。

public class Singleton7 {
    private volatile static Singleton7 instance;

    private Singleton7() {
    }

    public static Singleton7 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton7.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton7();
            }
        }
        return instance;
    }
}

以上是实现单例的几种方式汇总，其实综上也能发现在实际中能够付诸使用的方式很少，我们这里更多的是从线程安全和lazy-loading的角度更好的理解和实现单例模式。
在Spring使用ThreadLocal解决线程安全问题。我们知道在一般情况下，只有无状态的Bean才可以在多线程环境下共享，在Spring中，绝大部分Bean都可以声明为singleton作用域，就是因为Spring对一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非线程安全状态采用ThreadLocal进行处理，为每个线程提供一个独立的变量副本——”以空间换时间”，这样有状态的Bean就可以在多线程中共享了。在很多情况下，ThreadLocal比直接使用synchronized同步机制解决线程安全问题更简便，且拥有更高的并发性。
参考链接：
http://www.blogjava.net/kenzhh/archive/2013/03/15/357824.html
http://blog.youkuaiyun.com/neo_ustc/article/details/7913066
http://blog.youkuaiyun.com/jq_ak47/article/details/54894793