原创

Java单例模式


1. 单例模式的定义

单例模式(Singleton Pattern)是一个比较简单的模式,其原始定义如下:Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it. 即确保只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。单例模式的通用类如下图所示:

Singleton类称为单例类,通过使用private的构造函数确保了在一个应用中只产生一个实例,并且是自行实例化的(在Singleton中自己new Singleton())。单例模式的通用代码如下(这种也称为饿汉式单例):

/****************** 单例模式:程序清单1 ***************************/
public class Singleton {
	//1.自己内部new一个
	private static Singleton instance = new Singleton(); 
	//2.私有构造函数,防止被实例化
	private Singleton() {
	}
	//3.提供一个公共接口,用来返回刚刚new出来的对象
 	public static Singleton getInstance() { 
		 return instance;
	}
	
	public void test() {
		System.out.println("singleton");
	}
}

2. 单例模式存在的线程安全问题

上面是一个经典的单例模式程序,且这个程序不会产生线程同步问题,因为类第一次加载的时候就初始化了instance。但是单例模式还有其他的实现方式,就有可能会出现线程同步问题,请看下面的例子:

/*
 * 这种方式就是非线程安全了(懒汉式单例)
 */
public class Singleton {
	private static Singleton instance = null;
	private Singleton() {
	}
	public static Singleton getInstance() {
		if(instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
 		return instance;
	}
}

为什么会出现线程安全问题呢?假如一个线程A执行到instance = new Singleton(),但还没有获得对象(对象的初始化是需要时间的),第二个线程B也在执行,执行到判断instance == null时,那么线程B获得的条件也是真,于是也进入实例化instance了,然后线程A获得了一个对象,线程B也获得了一个对象,在内存中就存在了两个对象了!
解决线程安全问题的方法有很多,比如我们可以在getInstance()方法前面加上synchronized关键字来解决,如下:

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

但是synchronized关键字锁住的是这个对象,这样的用法在性能上会有所下降,因为每次调用getInstance()时都要对对象上锁。事实上,只要在第一次创建对象的时候加锁,后面创建完了就不需要了,所以我们可以做进一步的改进,如下:

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

我们将synchronized关键字加到内部,也就是说当调用的时候是不需要加锁的,只有在instance == null的时候且创建对象的时候再加锁,这样要比上面的那种方式好。但是这种方式还是有可能会产生线程安全问题,因为JVM中创建对象和赋值操作是分开进行的,即instance = new Singleton()这句是分两步进行的。过程是这样的:JVM会为先给Singleton实例分配一个空白的内存,并赋值给instance成员,但是此时JVM并没有开始初始化这个实例,然后再去new一个Singleton对象赋给instance。这就会导致线程问题了,比如A线程进入synchronized代码块了,执行完了instance = new Singleton()后退出代码块,但是此时还没有真正初始化,这是线程B进来了,发现instance不为null,于是就立马返回该instance(其实是没有初始化好的),然后B就开始使用该instance,却发现没初始化,于是就出问题了。
所以要解决这种“懒汉式”单例的线程问题,一种建议使用上面的程序清单1的方式,即使用”饿汉式“单例。另一种,在实际中,也可以用内部类来维护单例的实现。JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候,这个类的加载过程是线程互斥的。这样,当我们第一次调用getInstance()方法的时候,JVM能够帮我们保证instance实例只被创建一次,并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕,见如下代码:

/****************** 单例模式:程序清单2 ****************************/
public class Singleton {	
	//私有构造方法,防止被实例化
    private Singleton() { 
    }  
    /*使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
  
    public static Singleton getInstance() {  //获取实例
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
  
    /* 如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }   
}

3. 单例模式的克隆

上面分析了单例模式的线程安全问题,还有个问题就是需要考虑单例模式中对象的复制问题。在java中,对象默认是不可以被复制的,但是若实现了Cloneable接口,并实现了clone方法,则可以直接通过对象复制方式创建一个新对象,对象复制不是调用类的构造方法,所以即使是私有的构造方法,对象仍然是可以被复制的。但是在一般情况下,单例类很少会主动要求被复制的,所以解决该问题最好的方法就是单例类不要实现Cloneable接口即可。

4. 单例模式的扩展

如果一个类可以产生多个对象且数量不受限制,是非常容易的,直接new就是了。但是如果使用单例模式,但是要求一个类真能产生两三个对象呢?这种情况该如何实现?针对这种情况,我们就需要在单例类中维护一个变量,用来表示实例的个数,而且还需要一些容器来保存不同的实例以及实例对应的属性,如下:

/*************************** 单例模式的扩展:程序清单3 ************************************/
public class Singleton {
	//定义最多能产生的实例数量
	private static int maxNumOfInstance = 3;
	
	//存储每个实例的名字
	private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<String>();
	
	//存储每个实例对象
	private static ArrayList<Singleton> instanceList = new ArrayList<Singleton>();
	
	//当前实例的索引
	private static int indexOfInstance = 0;
	
	//静态代码块,在类加载的时候初始化2个实例
	static {
		for(int i = 0; i < maxNumOfInstance; i++) {
			instanceList.add(new Singleton("instance" + (i+1)));
		}
	}
	
	private Singleton() {
		
	}
	private Singleton(String name) { //带参数的私有构造函数
		nameList.add(name);
	}
	
	//返回实例对象
	public static Singleton getInstance() {
		Random random = new Random();
		//随机挑选一个实例
		indexOfInstance = random.nextInt(maxNumOfInstance);
		return instanceList.get(indexOfInstance);
	}
	public void test() {
		System.out.println(nameList.get(indexOfInstance));
	}
}

我们写一个测试程序看看结果就知道了。

public class SingletonTest {
	public static void main(String[] args) {
		int num = 5;
		for(int i = 0; i < num; i++) {
			Singleton instance = Singleton.getInstance();
			instance.test();
		}
	}
}

这样我们就实现了用单例模式产生固定数量的实例。测试结果输出如下:

instance1
instance1
instance2
instance3
instance3

5. 单例模式的优缺点

优点:

1.在内存中只存在一个实例,所有减小诶村的开支,特别是一个对象需要频繁的创建和销毁时,而且创建或销毁时性能又无法优化,单例模式的优势就非常明显。
2.减小了系统的性能开销,当一个对象的产生需要比较多的资源时,如读取配置、产生依赖对象时,则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象,然后用永久驻留在内存中。
3.可以避免对资源的多重占用,如写文件动作,由于只有一个实例存在内存中,避免对同一个资源文件的同时写操作。
4.单例模式可以在系统设置全局的访问点,优化和共享资源访问,例如可以设计一个单例类,负责所有数据表的映射处理。

缺点:

1.单例模式没有接口,扩展很难,若要扩展,除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。
2.单例模式对测试是不利的,在并行开发环境中,如果单例模式没有完成,是不能进行测试的。

6. 单例模式的应用场景

在一个系统中,要求一个类仅有一个对象时,可以采用单例模式,比如:

1.要求生成唯一序列号的环境。
2.在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据,例如一个web页面上的访问量,可以不用每次刷新都把记录存到数据库,但是要确保单例线程安全。
3.创建一个对象需要消耗的资源过多,如要访问IO和数据库等资源。
4.需要定义大量静态常量和静态方法(如工具类)的环境,可以采用单例模式,当然也可以直接声明为static方式。

Spring中也用到了单例模式,每个Bean默认就是单例的,这样做的有点事Spring容器可以管理这些Bean的生命期,决定什么时候创建出来,什么时候销毁,销毁的时候要如何处理等等。如果采用非单例模式(Prototype类型),则Bean初始化后的管理交给J2EE容器了,Spring容器就不在跟踪管理Bean的生命周期了。

Java
  • 作者:倪升武(联系作者)
  • 发表时间:2017-06-02 01:51
  • 版权声明:自由转载-非商用-非衍生-保持署名,转载请注明出处
  • 评论