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Java設計模式——單例模式

2016.06.26 16:38 2900瀏覽

單例模式(Singleton)

單例對象(Singleton)是一種常用的設計模式。在Java應用中,單例對象能保證在一個JVM中,該對象只有一個實例存在。這樣的模式有幾個好處:

1、某些類創建比較頻繁,對于一些大型的對象,這是一筆很大的系統開銷。

2、省去了new操作符,降低了系統內存的使用頻率,減輕GC壓力。

3、有些類如交易所的核心交易引擎,控制著交易流程,如果該類可以創建多個的話,系統完全亂了。(比如一個軍隊出現了多個司令員同時指揮,肯定會亂成一團),所以只有使用單例模式,才能保證核心交易服務器獨立控制整個流程。

首先我們寫一個簡單的單例類:

public class Singleton {  

    /* 持有私有靜態實例,防止被引用,此處賦值為null,目的是實現延遲加載 */  
    private static Singleton instance = null;  

    /* 私有構造方法,防止被實例化 */  
    private Singleton() {  
    }  

    /* 靜態工程方法,創建實例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  

    /* 如果該對象被用于序列化,可以保證對象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}  

這個類可以滿足基本要求,但是,像這樣毫無線程安全保護的類,如果我們把它放入多線程的環境下,肯定就會出現問題了,如何解決?我們首先會想到對getInstance方法加synchronized關鍵字,如下:

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

但是,synchronized關鍵字鎖住的是這個對象,這樣的用法,在性能上會有所下降,因為每次調用getInstance(),都要對對象上鎖,事實上,只有在第一次創建對象的時候需要加鎖,之后就不需要了,所以,這個地方需要改進。我們改成下面這個:

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

似乎解決了之前提到的問題,將synchronized關鍵字加在了內部,也就是說當調用的時候是不需要加鎖的,只有在instance為null,并創建對象的時候才需要加鎖,性能有一定的提升。

但是,這樣的情況,還是有可能有問題的,看下面的情況:在Java指令中創建對象和賦值操作是分開進行的,也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。但是JVM并不保證這兩個操作的先后順序,也就是說有可能JVM會為新的Singleton實例分配空間,然后直接賦值給instance成員,然后再去初始化這個Singleton實例。這樣就可能出錯了,我們以A、B兩個線程為例:

a>A、B線程同時進入了第一個if判斷

b>A首先進入synchronized塊,由于instance為null,所以它執行instance = new Singleton();

c>由于JVM內部的優化機制,JVM先畫出了一些分配給Singleton實例的空白內存,并賦值給instance成員(注意此時JVM沒有開始初始化這個實例),然后A離開了synchronized塊。

d>B進入synchronized塊,由于instance此時不是null,因此它馬上離開了synchronized塊并將結果返回給調用該方法的程序。

e>此時B線程打算使用Singleton實例,卻發現它沒有被初始化,于是錯誤發生了。

所以程序還是有可能發生錯誤,其實程序在運行過程是很復雜的,從這點我們就可以看出,尤其是在寫多線程環境下的程序更有難度,有挑戰性。我們對該程序做進一步優化:

private static class SingletonFactory{           
        private static Singleton instance = new Singleton();           
    }           
    public static Singleton getInstance(){           
        return SingletonFactory.instance;           
    }   

實際情況是,單例模式使用內部類來維護單例的實現,JVM內部的機制能夠保證當一個類被加載的時候,這個類的加載過程是線程互斥的。這樣當我們第一次調用getInstance的時候,JVM能夠幫我們保證instance只被創建一次,并且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢,這樣我們就不用擔心上面的問題。同時該方法也只會在第一次調用的時候使用互斥機制,這樣就解決了低性能問題。這樣我們暫時總結一個完美的單例模式:

public class Singleton {  

    /* 私有構造方法,防止被實例化 */  
    private Singleton() {  
    }  

    /* 此處使用一個內部類來維護單例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
    }  

    /* 獲取實例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  

    /* 如果該對象被用于序列化,可以保證對象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}  

其實說它完美,也不一定,如果在構造函數中拋出異常,實例將永遠得不到創建,也會出錯。所以說,十分完美的東西是沒有的,我們只能根據實際情況,選擇最適合自己應用場景的實現方法。也有人這樣實現:因為我們只需要在創建類的時候進行同步,所以只要將創建和getInstance()分開,單獨為創建加synchronized關鍵字,也是可以的:

public class SingletonTest {  

    private static SingletonTest instance = null;  

    private SingletonTest() {  
    }  

    private static synchronized void syncInit() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new SingletonTest();  
        }  
    }  

    public static SingletonTest getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            syncInit();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

考慮性能的話,整個程序只需創建一次實例,所以性能也不會有什么影響。

總結:
使用單例模式時盡量控制使用鎖的方式,因為在多線程的環境下,鎖機制很難控制,使用靜態內部類的方式是比較好的。

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