【Java设计模式】之单例模式

2018-03-01 11:21:13来源:oschina作者:卯金刀GG人点击

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Java中单例(Singleton)模式是一种广泛使用的设计模式。单例模式的主要作用是保证在Java程序中,某个类只有一个实例存在。一些管理器和控制器常被设计成单例模式。


单例模式有很多好处,它能够避免实例对象的重复创建,不仅可以减少每次创建对象的时间开销,还可以节约内存空间;能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。如果一个对象有可能贯穿整个应用程序,而且起到了全局统一管理控制的作用,那么单例模式也许是一个值得考虑的选择。


单例模式有很多种写法,大部分写法都或多或少有一些不足。下面将分别对这几种写法进行介绍。


1、饿汉模式


public class Singleton{
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton(){}
public static Singleton newInstance(){
return instance;
}
}

从代码中我们看到,类的构造函数定义为private的,保证其他类不能实例化此类,然后提供了一个静态实例并返回给调用者。饿汉模式是最简单的一种实现方式,饿汉模式在类加载的时候就对实例进行创建,实例在整个程序周期都存在。它的好处是只在类加载的时候创建一次实例,不会存在多个线程创建多个实例的情况,避免了多线程同步的问题。它的缺点也很明显,即使这个单例没有用到也会被创建,而且在类加载之后就被创建,内存就被浪费了。

这种实现方式适合单例占用内存比较小,在初始化时就会被用到的情况。但是,如果单例占用的内存比较大,或单例只是在某个特定场景下才会用到,使用饿汉模式就不合适了,这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载。


2、懒汉模式


懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的,如果单例已经创建,再次调用获取接口将不会重新创建新的对象,而是直接返回之前创建的对象。如果某个单例使用的次数少,并且创建单例消耗的资源较多,那么就需要实现单例的按需创建,这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。但是这里的懒汉模式并没有考虑线程安全问题,在多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法,导致创建多个实例,因此需要加锁解决线程同步问题,实现如下。


public class Singleton{
private static Singleton instance = null;
private Singleton(){}
public static Singleton newInstance(){
if(null == instance){
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}

3、双重校验锁


加锁的懒汉模式看起来即解决了线程并发问题,又实现了延迟加载,然而它存在着性能问题,依然不够完美。synchronized修饰的同步方法比一般方法要慢很多,如果多次调用getInstance(),累积的性能损耗就比较大了。因此就有了双重校验锁,先看下它的实现代码。



public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {//2
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}

可以看到上面在同步代码块外多了一层instance为空的判断。由于单例对象只需要创建一次,如果后面再次调用getInstance()只需要直接返回单例对象。因此,大部分情况下,调用getInstance()都不会执行到同步代码块,从而提高了程序性能。不过还需要考虑一种情况,假如两个线程A、B,A执行了if (instance == null)语句,它会认为单例对象没有创建,此时线程切到B也执行了同样的语句,B也认为单例对象没有创建,然后两个线程依次执行同步代码块,并分别创建了一个单例对象。为了解决这个问题,还需要在同步代码块中增加if (instance == null)语句,也就是上面看到的代码2。

我们看到双重校验锁即实现了延迟加载,又解决了线程并发问题,同时还解决了执行效率问题,是否真的就万无一失了呢?


这里要提到Java中的指令重排优化。所谓指令重排优化是指在不改变原语义的情况下,通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快。JVM中并没有规定编译器优化相关的内容,也就是说JVM可以自由的进行指令重排序的优化。


这个问题的关键就在于由于指令重排优化的存在,导致初始化Singleton和将对象地址赋给instance字段的顺序是不确定的。在某个线程创建单例对象时,在构造方法被调用之前,就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。此时就可以将分配的内存地址赋值给instance字段了,然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstance,取到的就是状态不正确的对象,程序就会出错。


以上就是双重校验锁会失效的原因,不过还好在JDK1.5及之后版本增加了volatile关键字。volatile的一个语义是禁止指令重排序优化,也就保证了instance变量被赋值的时候对象已经是初始化过的,从而避免了上面说到的问题。代码如下:

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

4、静态内部类


除了上面的三种方式,还有另外一种实现单例的方式,通过静态内部类来实现。首先看一下它的实现代码:

public class Singleton{
private static class SingletonHolder{
public static Singleton instance = new Singleton();
}
private Singleton(){}
public static Singleton newInstance(){
return SingletonHolder.instance;
}
}

这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个instance实例。它与饿汉模式一样,也是利用了类加载机制,因此不存在多线程并发的问题。不一样的是,它是在内部类里面去创建对象实例。这样的话,只要应用中不使用内部类,JVM就不会去加载这个单例类,也就不会创建单例对象,从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。


5、枚举


再来看本文要介绍的最后一种实现方式:枚举。


public enum Singleton{
instance;
public void whateverMethod(){}
}

上面提到的四种实现单例的方式都有共同的缺点:


1)需要额外的工作来实现序列化,否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例。


2)可以使用反射强行调用私有构造器(如果要避免这种情况,可以修改构造器,让它在创建第二个实例的时候抛异常)。


而枚举类很好的解决了这两个问题,使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外,还提供了自动序列化机制,防止反序列化的时候创建新的对象。因此,《Effective Java》作者推荐使用的方法。不过,在实际工作中,很少看见有人这么写。


总结


本文总结了五种Java中实现单例的方法,其中前两种都不够完美,双重校验锁和静态内部类的方式可以解决大部分问题,平时工作中使用的最多的也是这两种方式。枚举方式虽然很完美的解决了各种问题,但是这种写法多少让人感觉有些生疏。个人的建议是,在没有特殊需求的情况下,使用第三种和第四种方式实现单例模式。

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