【java设计模式】之 单例(Singleton)模式
1. 单例模式的定义
单例模式(Singleton Pattern)是一个比較简单的模式。其原始定义例如以下:Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it. 即确保仅仅有一个实例,并且自行实例化并向整个系统提供这个实例。单例模式的通用类例如以下图所看到的:
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仅仅产生一个实例。而且是自行实例化的(在Singleton中自己new Singleton())。单例模式的通用代码例如以下(这样的也称为饿汉式单例):
/****************** 单例模式:程序清单1 ***************************/
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton(); //1.自己内部new一个 private Singleton() { //2.私有构造函数,防止被实例化 }
//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。由于类第一次载入的时候就初始化了instance。可是单例模式还有其它的实现方式,就有可能会出现线程同步问题。请看以下的样例:
/*
* 这样的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运行到instance = new Singleton()。但还没有获得对象(对象的初始化是须要时间的),第二个线程B也在运行。运行到推断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非常多,比方我们能够在getInstance()方法前面加上synchronizedkeyword来解决,例如以下:
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
可是synchronizedkeyword锁住的是这个对象,这种使用方法在性能上会有所下降,由于每次调用getInstance()时都要对对象上锁。其实。仅仅要在第一次创建对象的时候加锁,后面创建完了就不须要了。所以我们能够做进一步的改进。例如以下:
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (instance) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
我们将synchronizedkeyword加到内部,也就是说当调用的时候是不须要加锁的,仅仅有在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。可是这种方式还是有可能会产生线程安全问题,由于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。过程是这种:JVM会为先给Singleton实例分配一个空白的内存。并赋值给instance成员,可是此时JVM并没有開始初始化这个实例。然后再去new一个Singleton对象赋给instance。这就会导致线程问题了。比方A线程进入synchronized代码块了,运行完了instance
= new Singleton()后退出代码块。可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。于是就立刻返回该instance(事实上是没有初始化好的),然后B就開始使用该instance,却发现没初始化,于是就出问题了。
所以要解决这样的“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。还有一种,在实际中,也可以用内部类来维护单例的实现。JVM内部的机制可以保证当一个类被载入的时候。这个类的载入过程是线程相互排斥的。
这样。当我们第一次调用getInstance()方法的时候。JVM可以帮我们保证instance实例仅仅被创建一次,而且会保证把赋值给instance的内存初始化完成。见例如以下代码:
/****************** 单例模式:程序清单2 ****************************/
public class Singleton {
private Singleton() { //私有构造方法,防止被实例化
} /*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;
} /* 假设该对象被用于序列化。能够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,还有个问题就是须要考虑单例模式中对象的复制问题。
在java中。对象默认是不能够被复制的,可是若实现了Cloneable接口。并实现了clone方法,则能够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,对象仍然是能够被复制的。
可是在普通情况下,单例类非常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接口就可以。
4. 单例模式的扩展
假设一个类能够产生多个对象且数量不受限制,是很easy的,直接new就是了。
可是假设使用单例模式,可是要求一个类真能产生两三个对象呢?这样的情况该怎样实现?针对这样的情况,我们就须要在单例类中维护一个变量,用来表示实例的个数。并且还须要一些容器来保存不同的实例以及实例相应的属性,例如以下:
/*************************** 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; //存储每一个实例的名字
private static ArrayList<String> nameList = new ArrayList<String>(); //存储每一个实例对象
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,在类载入的时候初始化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) { //带參数的私有构造函数
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));
}
}
/******************************************************************************************/
我们写一个測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。測试结果输出例如以下:
instance1
instance1
instance2
instance3
instance3
5. 单例模式的优缺点
长处:
1.在内存中仅仅存在一个实例。全部减小诶村的开支。特别是一个对象须要频繁的创建和销毁时,并且创建或销毁时性能又无法优化。单例模式的优势就很明显。
2.减小了系统的性能开销。当一个对象的产生须要比較多的资源时,如读取配置、产生依赖对象时,则能够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.能够避免对资源的多重占用,如写文件动作。因为仅仅有一个实例存在内存中,避免对同一个资源文件的同一时候写操作。
4.单例模式能够在系统设置全局的訪问点。优化和共享资源訪问,比如能够设计一个单例类,负责全部数据表的映射处理。
缺点:
1.单例模式没有接口。扩展非常难。若要扩展,除了改动代码基本上没有另外一种途径能够实现
2.单例模式对測试是不利的,在并行开发环境中,假设单例模式没有完毕,是不能进行測试的。
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,能够採用单例模式:
1. 要求生成唯一序列号的环境。
2. 在整个项目中须要一个共享訪问点或共享数据,比如一个web页面上的訪问量,能够不用每次刷新都把记录存到数据库。可是要确保单例线程安全。
3. 创建一个对象须要消耗的资源过多。如要訪问IO和数据库等资源。
4. 须要定义大量的静态常量和静态方法(如工具类)的环境。能够採用单例模式。当然也能够直接声明为static方式。
Spring中也用到了单例模式,每一个Bean默认就是单例的,这样做的有点事Spring容器能够管理这些Bean的生命期,决定什么时候创建出来,什么时候销毁,销毁的时候要怎样处理等等。
假设採用非单例模式(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。
单例模式就讨论这么多吧,如有错误之处,欢迎留言指正~
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