Java设计模式优化-单例模式
单例模式概述
单例模式是一种对象创建模式，用于产生一个类的具体事例。使用单例模式可以确保整个系统中单例类只产生一个实例。有下面两大好处:
- 对于频繁创建的对象，节省初第一次实例化之后的创建时间。
- 由于new操作的减少，会降低系统内存的使用频率。减轻GC压力，从而缩短GC停顿时间
创建方式：
- 单例作为类的私有private属性
- 单例类拥有私有private构造函数
- 提供获取实例的public方法
单例模式的角色：
| 角色 | 作用 |
|---|---|
| 单例类 | 提供单例的工厂，返回类的单例实例 |
| 使用者 | 获取并使用单例类 |
类基本结构：
单例模式的实现
1.饿汉式
public class HungerSingleton {
//1.饿汉式
//私有构造器
private HungerSingleton() {
System.out.println("create HungerSingleton");
}
//私有单例属性
private static HungerSingleton instance = new HungerSingleton();
//获取单例的方法
public static HungerSingleton getInstance() {
return instance;
}
}
注意：
- 单例修饰符为static JVM加载单例类加载时，直接初始化单例。无法延时加载。如果此单例一直未被使用，单Singleton 因为调用静态方法被初始化则会造成内存的浪费。
- getInstance()使用static修饰，不用实例化可以直接使用Singleton.getInstance()获取单例。
- 由于单例由JVM加载类的时候创建，所以不存在 线程安全 问题。
2.简单懒汉式
public class Singleton {
//2.1简单懒汉式(线程不安全)
//私有构造器
private Singleton() {
System.out.println("create Singleton");
}
//私有单例属性[初始化为null]
private static Singleton instance = null;
//获取单例的方法
public static Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
//此处instance实例化
//首次调用单例时会进入 达成延时加载
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
- 由于未使用 synchronized 关键字，所以当线程1调用单例工厂方法Singleton.getInstance() 且 instance 未初始化完成时，线程2调用此方法会将instance判断为null，也会将instance重新实例化赋值，此时则产生了多个实例！
- 如需线程安全可以直接给getInstance方法上加synchronized关键字,如下：
public class Singleton {
//2.2简单懒汉式(线程安全)
//私有构造器
private Singleton() {
System.out.println("create Singleton");
}
//私有单例属性[初始化为null]
private static Singleton instance = null;
//获取单例的方法 将此方法使用synchronized关键字同步
public static synchronized Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
//此处instance实例化
//首次调用单例时会进入 达成延时加载
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
面临的问题：
- 由于对getInstance()整个方法加锁，在多线程的环境中性能比较差。
3.DCL 懒汉式（双重检测）
简单懒汉式（线程安全）中，对getInstance()方法加锁，导致多线程中性能较差，那么是否可以
减小锁的范围
，使不用每次调用geInstance()方法时候都会去竞争锁？
DCL(Double Check Locking)双重检测 就是这样一种实现方式。
传统DCL:
public class DCLLazySingleton {
//3.DCL
//私有构造器
private DCLLazySingleton() {
System.out.println("create DCLLazySingleton");
}
//step1 私有单例属性[初始化为null] volatile 保证内存可见性 防止指令重排
private static volatile DCLLazySingleton instance = null;
//获取单例的方法
public static DCLLazySingleton getInstance() {
//这里判null 是为了在instance有值时，不进入加锁的代码块，提高代码性能。
if(instance == null) {
//缩小锁范围 由于是静态方法方法调用的时候不依赖于实例化的对象 加锁只能使用类
synchronized (DCLLazySingleton.class) {
//这里判null 是为了配合volatile解决多线程安全问题
if(instance == null) {
instance = new DCLLazySingleton();
}
}
}
return instance;
}
}
注意：
-
传统DCL（未使用 volatile 或在JDK1.8之前版本）面临的问题：
- 由于初始化单例对象new DCLLazySingleton() 操作 并不是原子操作 ，由于这是很多条指令，jvm可能会乱序执行。
在线程1初始化对象可能并未完成，但是此时已经instance对象已经不为null。(已经分配了内存，但是构造方法还未执行完【 可能有一些属性的赋值未执行 】)
此时线程2再获取instance 则不为null 直接返回。那么此时线程2获取的则为‘构造方法未执行完的instance对象’。则不能保证线程安全。
-
解决方式：
- 加上volatile关键字，volatile保证内存可见性，内存屏障，防止指令排！
- 加上volatile关键字后，线程2获取的构造方法未执行完的instance对象，会在线程1修改之后同步到线程2（volatile 内存空间）。所以解决了线程安全问题
-
参考：
- DCL失效原因和解决方案
- java 中单例模式DCL的缺陷及单例的正确写法
4.懒汉式（静态内部类）
public class StaticSingleton {
//私有构造器
private StaticSingleton() {
System.out.println("create StaticSingleton!");
}
//获取单例的方法
public static StaticSingleton getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
}
//静态内部类 持有单例 作为静态属性。
//由于只有在访问属性时才会加载静态类初始化instance。所以实现了懒加载。且由于JVM保证了类的加载为线程安全，所以为线程安全的。
private static class SingletonHolder {
//私有单例属性
private static StaticSingleton instance = new StaticSingleton();
}
}
注意：
- 由于StaticSingleton类被加载时，内部的私有静态类SingletonHolder并不会被加载，所以并不会初始化单例instance，当getInstance()被调用时SingletonHolder.instance 才会加载SingletonHolder，由于JVM保证了类的加载为线程安全，因此线程安全。
- 此方式既可以做到延时加载，也不会因为同步关键字影响性能。是一种比较完善的实现。 推荐使用
5.枚举单例
public enum EnumSingleton {
INSTANCE();
EnumSingleton() {
System.out.println("create EnumSingleton");
}
}
- 线程安全，且能够抵御反射与序列化。
- 推荐使用
例外情况
上述的单例实现方式还是会面临一些特殊情况不能保证唯一实例：
- 反射调用私有构造方法。
- 序列化后反序列化会生成多个对象。可以实现私有readResolve方法。readObject()如同虚设，直接使用readResolve替换原本返回值。如下：
private Object readResolve () {
//返回当前对象
return instance;
}
由于上述两情况比较特殊，所以没有特别关注。
参考书籍
《Java程序性能优化》 -葛一鸣 等编著
正文到此结束
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