《JAVA與設(shè)計模式》之單例模式

原文連接:http://www.cnblogs.com/java-my-life/archive/2012/03/31/2425631.html

在閻宏博士的《JAVA與模式》一書中開頭是這樣描述單例模式的:
作為對象的創(chuàng)建模式否副,單例模式確保某一個類只有一個實例,而且自行實例化并向整個系統(tǒng)提供這個實例。這個類稱為單例類侠讯。

單例模式的特點:

  • 單例類只能有一個實例灰殴。
  • 單例類必須自己創(chuàng)建自己的唯一實例。
  • 單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

餓漢式單例類

public class EagerSingleton {
    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
    /**
     * 私有默認構(gòu)造子
     */
    private EagerSingleton(){}
    /**
     * 靜態(tài)工廠方法
     */
    public static EagerSingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

上面的例子中拷橘,在這個類被加載時毅弧,靜態(tài)變量instance會被初始化气嫁,此時類的私有構(gòu)造子會被調(diào)用。這時候够坐,單例類的唯一實例就被創(chuàng)建出來了寸宵。

餓漢式其實是一種比較形象的稱謂崖面。既然餓,那么在創(chuàng)建對象實例的時候就比較著急梯影,餓了嘛巫员,于是在裝載類的時候就創(chuàng)建對象實例。

private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

餓漢式是典型的空間換時間甲棍,當(dāng)類裝載的時候就會創(chuàng)建類的實例简识,不管你用不用,先創(chuàng)建出來感猛,然后每次調(diào)用的時候七扰,就不需要再判斷,節(jié)省了運行時間唱遭。

懶漢式單例類

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance = null;
    /**
     * 私有默認構(gòu)造子
     */
    private LazySingleton(){}
    /**
     * 靜態(tài)工廠方法
     */
    public static synchronized LazySingleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

上面的懶漢式單例類實現(xiàn)里對靜態(tài)工廠方法使用了同步化戳寸,以處理多線程環(huán)境。

懶漢式其實是一種比較形象的稱謂拷泽。既然懶疫鹊,那么在創(chuàng)建對象實例的時候就不著急。會一直等到馬上要使用對象實例的時候才會創(chuàng)建司致,懶人嘛拆吆,總是推脫不開的時候才會真正去執(zhí)行工作,因此在裝載對象的時候不創(chuàng)建對象實例脂矫。

private static LazySingleton instance = null;

懶漢式是典型的時間換空間,就是每次獲取實例都會進行判斷枣耀,看是否需要創(chuàng)建實例,浪費判斷的時間庭再。當(dāng)然捞奕,如果一直沒有人使用的話,那就不會創(chuàng)建實例拄轻,則節(jié)約內(nèi)存空間.

由于懶漢式的實現(xiàn)是線程安全的颅围,這樣會降低整個訪問的速度,而且每次都要判斷恨搓。那么有沒有更好的方式實現(xiàn)呢院促?

雙重檢查加鎖

可以使用“雙重檢查加鎖”的方式來實現(xiàn),就可以既實現(xiàn)線程安全斧抱,又能夠使性能不受很大的影響常拓。那么什么是“雙重檢查加鎖”機制呢?

所謂“雙重檢查加鎖”機制辉浦,指的是:并不是每次進入getInstance方法都需要同步弄抬,而是先不同步,進入方法后宪郊,先檢查實例是否存在掂恕,如果不存在才進行下面的同步塊荔茬,這是第一重檢查,進入同步塊過后竹海,再次檢查實例是否存在,如果不存在丐黄,就在同步的情況下創(chuàng)建一個實例斋配,這是第二重檢查。這樣一來灌闺,就只需要同步一次了艰争,從而減少了多次在同步情況下進行判斷所浪費的時間。

“雙重檢查加鎖”機制的實現(xiàn)會使用關(guān)鍵字volatile桂对,它的意思是:被volatile修飾的變量的值甩卓,將不會被本地線程緩存,所有對該變量的讀寫都是直接操作共享內(nèi)存蕉斜,從而確保多個線程能正確的處理該變量逾柿。

注意:在java1.4及以前版本中,很多JVM對于volatile關(guān)鍵字的實現(xiàn)的問題宅此,會導(dǎo)致“雙重檢查加鎖”的失敗机错,因此“雙重檢查加鎖”機制只只能用在java5及以上的版本。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        //先檢查實例是否存在父腕,如果不存在才進入下面的同步塊
        if(instance == null){
            //同步塊弱匪,線程安全的創(chuàng)建實例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次檢查實例是否存在,如果不存在才真正的創(chuàng)建實例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

這種實現(xiàn)方式既可以實現(xiàn)線程安全地創(chuàng)建實例璧亮,而又不會對性能造成太大的影響萧诫。它只是第一次創(chuàng)建實例的時候同步,以后就不需要同步了枝嘶,從而加快了運行速度帘饶。

提示:由于volatile關(guān)鍵字可能會屏蔽掉虛擬機中一些必要的代碼優(yōu)化,所以運行效率并不是很高躬络。因此一般建議尖奔,沒有特別的需要,不要使用穷当。也就是說提茁,雖然可以使用“雙重檢查加鎖”機制來實現(xiàn)線程安全的單例,但并不建議大量采用馁菜,可以根據(jù)情況來選用茴扁。

根據(jù)上面的分析,常見的兩種單例實現(xiàn)方式都存在小小的缺陷汪疮,那么有沒有一種方案峭火,既能實現(xiàn)延遲加載毁习,又能實現(xiàn)線程安全呢?

Lazy initialization holder class模式

這個模式綜合使用了Java的類級內(nèi)部類和多線程缺省同步鎖的知識卖丸,很巧妙地同時實現(xiàn)了延遲加載和線程安全纺且。

1. 相應(yīng)的基礎(chǔ)知識
  • 什么是類級內(nèi)部類?

簡單點說稍浆,類級內(nèi)部類指的是载碌,有static修飾的成員式內(nèi)部類。如果沒有static修飾的成員式內(nèi)部類被稱為對象級內(nèi)部類衅枫。

類級內(nèi)部類相當(dāng)于其外部類的static成分嫁艇,它的對象與外部類對象間不存在依賴關(guān)系,因此可直接創(chuàng)建弦撩。而對象級內(nèi)部類的實例步咪,是綁定在外部對象實例中的。

類級內(nèi)部類中益楼,可以定義靜態(tài)的方法猾漫。在靜態(tài)方法中只能夠引用外部類中的靜態(tài)成員方法或者成員變量。

類級內(nèi)部類相當(dāng)于其外部類的成員感凤,只有在第一次被使用的時候才被會裝載静袖。

  • 多線程缺省同步鎖的知識
    大家都知道,在多線程開發(fā)中俊扭,為了解決并發(fā)問題队橙,主要是通過使用synchronized來加互斥鎖進行同步控制。但是在某些情況中萨惑,JVM已經(jīng)隱含地為您執(zhí)行了同步捐康,這些情況下就不用自己再來進行同步控制了。這些情況包括:

由靜態(tài)初始化器(在靜態(tài)字段上或static{}塊中的初始化器)初始化數(shù)據(jù)時
訪問final字段時
在創(chuàng)建線程之前創(chuàng)建對象時
線程可以看見它將要處理的對象時

2. 解決方案的思路

要想很簡單地實現(xiàn)線程安全庸蔼,可以采用靜態(tài)初始化器的方式解总,它可以由JVM來保證線程的安全性。比如前面的餓漢式實現(xiàn)方式姐仅。但是這樣一來花枫,不是會浪費一定的空間嗎?因為這種實現(xiàn)方式掏膏,會在類裝載的時候就初始化對象劳翰,不管你需不需要。

如果現(xiàn)在有一種方法能夠讓類裝載的時候不去初始化對象馒疹,那不就解決問題了佳簸?一種可行的方式就是采用類級內(nèi)部類,在這個類級內(nèi)部類里面去創(chuàng)建對象實例颖变。這樣一來生均,只要不使用到這個類級內(nèi)部類听想,那就不會創(chuàng)建對象實例,從而同時實現(xiàn)延遲加載和線程安全马胧。

示例代碼如下:

public class Singleton {
    
    private Singleton(){}
    /**
     *    類級的內(nèi)部類汉买,也就是靜態(tài)的成員式內(nèi)部類,該內(nèi)部類的實例與外部類的實例
     *    沒有綁定關(guān)系佩脊,而且只有被調(diào)用到時才會裝載录别,從而實現(xiàn)了延遲加載。
     */
    private static class SingletonHolder{
        /**
         * 靜態(tài)初始化器邻吞,由JVM來保證線程安全
         */
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

當(dāng)getInstance方法第一次被調(diào)用的時候,它第一次讀取SingletonHolder.instance葫男,導(dǎo)致SingletonHolder類得到初始化抱冷;而這個類在裝載并被初始化的時候,會初始化它的靜態(tài)域梢褐,從而創(chuàng)建Singleton的實例旺遮,由于是靜態(tài)的域,因此只會在虛擬機裝載類的時候初始化一次盈咳,并由虛擬機來保證它的線程安全性耿眉。

這個模式的優(yōu)勢在于,getInstance方法并沒有被同步鱼响,并且只是執(zhí)行一個域的訪問鸣剪,因此延遲初始化并沒有增加任何訪問成本。

單例和枚舉

按照《高效Java 第二版》中的說法:單元素的枚舉類型已經(jīng)成為實現(xiàn)Singleton的最佳方法丈积。用枚舉來實現(xiàn)單例非常簡單筐骇,只需要編寫一個包含單個元素的枚舉類型即可。

public enum Singleton {
    /**
     * 定義一個枚舉的元素江滨,它就代表了Singleton的一個實例铛纬。
     */
    
    uniqueInstance;
    
    /**
     * 單例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation(){
        //功能處理
    }
}

使用枚舉來實現(xiàn)單實例控制會更加簡潔,而且無償?shù)靥峁┝诵蛄谢瘷C制唬滑,并由JVM從根本上提供保障告唆,絕對防止多次實例化,是更簡潔晶密、高效擒悬、安全的實現(xiàn)單例的方式。

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