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单例这种设计模式

随着我们编写代码的深入,我们或多或少都会接触到设计模式,其中单例(Singleton)模式应该是我们耳熟能详的一种模式。本文将比较特别的介绍一下Java设计模式中的单例模式。

概念

单例模式,又称单件模式或者单子模式,指的是一个类只有一个实例,并且提供一个全局访问点。

实现思路

  • 在单例的类中设置一个private静态变量sInstance,sInstance类型为当前类,用来持有单例唯一的实例。
  • 将(无参数)构造器设置为private,避免外部使用new构造多个实例。
  • 提供一个public的静态方法,如getInstance,用来返回该类的唯一实例sInstance。

其中上面的单例的实例可以有以下几种创建形式,每一种实现都需要保证实例的唯一性。

饿汉式

饿汉式指的是单例的实例在类装载时进行创建。如果单例类的构造方法中没有包含过多的操作处理,饿汉式其实是可以接受的。

饿汉式的常见代码如下,当SingleInstance类加载时会执行private static SingleInstance sInstance = new SingleInstance();初始化了唯一的实例,然后getInstance()直接返回sInstance即可。

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public class SingleInstance {
  private static SingleInstance sInstance = new SingleInstance();
  
  private SingleInstance() {
  }
  
  public static SingleInstance getInstance() {
      return sInstance;
  }
}

饿汉式的问题

  • 如果构造方法中存在过多的处理,会导致加载这个类时比较慢,可能引起性能问题。
  • 如果使用饿汉式的话,只进行了类的装载,并没有实质的调用,会造成资源的浪费。

懒汉式

懒汉式指的是单例实例在第一次使用时进行创建。这种情况下避免了上面饿汉式可能遇到的问题。

但是考虑到多线程的并发操作,我们不能简简单单得像下面代码实现。

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public class SingleInstance {
  private static SingleInstance sInstance;
  private SingleInstance() {
  }
  
  public static SingleInstance getInstance() {
      if (null == sInstance) {
          sInstance = new SingleInstance();
      }
      return sInstance;
  }
}

上述的代码在多个线程密集调用getInstance时,存在创建多个实例的可能。比如线程A进入null == sInstance这段代码块,而在A线程未创建完成实例时,如果线程B也进入了该代码块,必然会造成两个实例的产生。

synchronized修饰方法

使用synchrnozed修饰getInstance方法可能是最简单的一个保证多线程保证单例唯一性的方法。
synchronized修饰的方法后,当某个线程进入调用这个方法,该线程只有当其他线程离开当前方法后才会进入该方法。所以可以保证getInstance在任何时候只有一个线程进入。

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

但是使用synchronized修饰getInstance方法后必然会导致性能下降,而且getInstance是一个被频繁调用的方法。虽然这种方法能解决问题,但是不推荐。

双重检查加锁

使用双重检查加锁,首先进入该方法时进行null == sInstance检查,如果第一次检查通过,即没有实例创建,则进入synchronized控制的同步块,并再次检查实例是否创建,如果仍未创建,则创建该实例。

双重检查加锁保证了多线程下只创建一个实例,并且加锁代码块只在实例创建的之前进行同步。如果实例已经创建后,进入该方法,则不会执行到同步块的代码。

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public class SingleInstance {
  private static volatile SingleInstance sInstance;
  private SingleInstance() {
  }
  
  public static SingleInstance getInstance() {
      if (null == sInstance) {
          synchronized (SingleInstance.class) {
              if (null == sInstance) {
                  sInstance = new SingleInstance();
              }
          }
      }
      return sInstance;
  }
}

volatile是什么

Volatile是轻量级的synchronized,它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时,另外一个线程能读到这个修改的值。使用volatile修饰sInstance变量之后,可以确保多个线程之间正确处理sInstance变量。
关于volatile,可以访问深入分析Volatile的实现原理了解更多。

利用static机制

在Java中,类的静态初始化会在类被加载时触发,我们利用这个原理,可以实现利用这一特性,结合内部类,可以实现如下的代码,进行懒汉式创建实例。

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public class SingleInstance {
  private SingleInstance() {
  }
  
  public static SingleInstance getInstance() {
      return SingleInstanceHolder.sInstance;
  }
  
  private static class SingleInstanceHolder {
      private static SingleInstance sInstance = new SingleInstance();
  }
}

关于这种机制,可以具体了解双重检查锁定与延迟初始化

好奇问题

真的只有一个对象么

其实,单例模式并不能保证实例的唯一性,只要我们想办法的话,还是可以打破这种唯一性的。以下几种方法都能实现。

  • 使用反射,虽然构造器为非公开,但是在反射面前就不起作用了。
  • 如果单例的类实现了cloneable,那么还是可以拷贝出多个实例的。
  • Java中的对象序列化也有可能导致创建多个实例。避免使用readObject方法。
  • 使用多个类加载器加载单例类,也会导致创建多个实例并存的问题。

单例可以继承么

单例类能否被继承需要分情况而定。

可以继承的情况

当子类是父类单例类的内部类时,继承是可以的。

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public class BaseSingleton {
  private static volatile BaseSingleton sInstance;
  
  private BaseSingleton() {
      
  }
  
  public static BaseSingleton getInstance() {
      if (null == sInstance) {
          synchronized(BaseSingleton.class) {
              if (null == sInstance) {
                  sInstance = new BaseSingleton();
              }
          }
      }
      return sInstance;
  }
  
  public static class  MySingleton extends BaseSingleton {
      
  }
  
}

但是上面仅仅是编译和执行上允许的,但是继承单例没有实际的意义,反而会变得更加事倍功半,其代价要大于新写一个单例类。感兴趣的童鞋可以尝试折腾一下。

不可以继承的情况

如果子类为单独的类,非单例类的内部类的话,那么在编译时就会出错Implicit super constructor BaseSingleton() is not visible for default constructor. Must define an explicit constructor,主要原因是单例类的构造器是private,解决方法是讲构造器设置为可见,但是这样做就无法保证单例的唯一性。所以这种方式不可以继承。

总的来说,单例类不要继承。

单例 vs static变量

全局静态变量也可以实现单例的效果,但是使用全局变量无法保证只创建一个实例,而且使用全局变量的形式,需要团队的约束,执行起来可能会出现问题。

关于GC

因为单例类中又一个静态的变量持有单例的实例,所以相比普通的对象,单例的对象更不容易被GC回收掉。单例对象的回收应该发生在其类加载器被GC回收掉之后,一般不容易出现。

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一本书

Head First设计模式,本书荣获2005年第十五届Jolt通用类图书震撼大奖。本书英文影印版被《程序员》等机构评选为2006年最受读者喜爱的十大IT图书之一 。本书趋近完美,因为它在提供专业知识的同时,仍然具有相当高的可读性。叙述权威、文笔优美。


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