簡述: 從這篇文章開始掸驱,我將帶領(lǐng)大家一起來探討一下Kotlin眼中的設(shè)計模式肛搬。說下為什么想著要開始這么一個系列文章。主要基于下面幾點原因:
- 1毕贼、設(shè)計模式一直是開發(fā)者看懂Android源碼的一個很大障礙温赔。所以想要理解和運用源碼中一些設(shè)計思想和技巧,首先看懂源碼是第一步鬼癣,而看懂源碼让腹,又得需要設(shè)計模式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法(我的每周一算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文章系列也開始了)作為基礎(chǔ)远剩,否則看起來云里霧里,只能死記硬背別人總結(jié)的結(jié)論骇窍,最終還是無法消化和理解運用瓜晤。
- 2、Kotlin中設(shè)計模式的實現(xiàn)和Java的實現(xiàn)還是有很大的差別的腹纳,利用Kotlin語言自身的特性實現(xiàn)設(shè)計模式比硬生生套用Java中的設(shè)計模式實現(xiàn)要更優(yōu)雅和更高效痢掠。當然每個設(shè)計模式我會對比Java與Kotlin實現(xiàn)區(qū)別,以便理解更加深刻淹辞。
- 3象缀、據(jù)了解Kotlin有關(guān)設(shè)計模式實現(xiàn)的文章目前在國內(nèi)還是比較少的央星,所以想系統(tǒng)地去寫一個有關(guān)Kotlin邂逅設(shè)計模式的系列文章莉给。
說下最終的目標吧,最終目標是有基礎(chǔ)能力在分析的源碼時候能夠站在一個全局角度去思考州泊,而不是一頭扎入茫茫源碼中無法自拔迷失自我遥皂。后面也會隨即出一些有關(guān)源碼分析的文章。所以請暫時先好好掌握這些基礎(chǔ)的工具样悟。
一窟她、介紹
單例模式是開發(fā)者最為常見的一種設(shè)計模式录肯,也是23種設(shè)計模式中最為簡單一種設(shè)計模式论咏。大部分的開發(fā)者都知道它的使用和原理。單例模式顧名思義就是在應(yīng)用這個模式時养涮,單例對象的類必須是只有一個對象實例存在贯吓。在一些應(yīng)用場景中我們只需要一個全局唯一的對象實例去調(diào)度整體行為蘸劈。還有一些情況為了系統(tǒng)資源開銷考慮威沫,避免重復(fù)創(chuàng)建多個實例孵构,往往采用單例模式來保證全局只有一個實例對象颈墅。
二、定義
保證某個類只有一個實例對象芹橡,該實例對象在內(nèi)部進行實例化煎殷,并且提供了一個獲取該實例對象的全局訪問點豪直。
三饵撑、基本要求
- 1滑潘、構(gòu)造器私有化,private修飾粹舵,主要為了防止外部私自創(chuàng)建該單例類的對象實例
- 2、提供一個該實例對象全局訪問點诅需,在Java中一般是以公有的靜態(tài)方法或者枚舉返回單例類對象
- 3、在多線程環(huán)境下保證單例類有且只有一個對象實例场刑,以及在多線程環(huán)境下獲取單例類對象實例需要保證線程安全。
- 4施籍、在反序列化時保證單例類有且只有一個對象實例。
四竿裂、使用場景
一般用于確定某個類只需要一個實例對象进副,從而避免中了頻繁創(chuàng)建多個對象實例所帶來資源和性能開銷影斑。例如常見的數(shù)據(jù)庫連接或IO操作等矫户。
五、UML類圖
六、餓漢式單例
餓漢式單例模式是實現(xiàn)單例模式比較簡單的一種方式空另,它有個特點就是不管需不需要該單例實例都弹,該實例對象都會被實例化畅厢。
1、Kotlin實現(xiàn)
在Kotlin中實現(xiàn)一個餓漢式單例模式可以說是非常非常簡單,只需要定義一個object對象表達式即可,無需手動去設(shè)置構(gòu)造器私有化和提供全局訪問點专筷,這一點Kotlin編譯器全給你做好了弱贼。
object KSingleton : Serializable {//實現(xiàn)Serializable序列化接口,通過私有磷蛹、被實例化的readResolve方法控制反序列化
fun doSomething() {
println("do some thing")
}
private fun readResolve(): Any {//防止單例對象在反序列化時重新生成對象
return KSingleton//由于反序列化時會調(diào)用readResolve這個鉤子方法吮旅,只需要把當前的KSingleton對象返回而不是去創(chuàng)建一個新的對象
}
}
//在Kotlin中使用KSingleton
fun main(args: Array<String>) {
KSingleton.doSomething()//像調(diào)用靜態(tài)方法一樣,調(diào)用單例類中的方法
}
//在Java中使用KSingleton
public class TestMain {
public static void main(String[] args) {
KSingleton.INSTANCE.doSomething();//通過拿到KSingleton的公有單例類靜態(tài)實例INSTANCE, 再通過INSTANCE調(diào)用單例類中的方法
}
}
KSingleton反編譯成Java代碼
public final class KSingleton implements Serializable {
public static final KSingleton INSTANCE;
public final void doSomething() {
String var1 = "do some thing";
System.out.println(var1);
}
private final Object readResolve() {
return INSTANCE;//可以看到readResolve方法直接返回了INSTANCE而不是創(chuàng)建新的實例
}
static {//靜態(tài)代碼塊初始化KSingleton實例味咳,不管有沒有使用庇勃,只要KSingleton被加載了,
//靜態(tài)代碼塊就會被調(diào)用,KSingleton實例就會被創(chuàng)建堡纬,并賦值給INSTANCE
KSingleton var0 = new KSingleton();
INSTANCE = var0;
}
}
可能會有人疑問: 沒有看到構(gòu)造器私有化碗旅,實際上這一點已經(jīng)在編譯器層面做了限制稼锅,不管你是在Java還是Kotlin中都無法私自去創(chuàng)建新的單例對象痊臭。
2、Java實現(xiàn)
public class Singleton implements Serializable {
private Singleton() {//構(gòu)造器私有化
}
private static final Singleton mInstance = new Singleton();
public static Singleton getInstance() {//提供公有獲取單例對象的函數(shù)
return mInstance;
}
//防止單例對象在反序列化時重新生成對象
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return mInstance;
}
}
對比一下Kotlin和Java的餓漢式的單例實現(xiàn)發(fā)現(xiàn),是不是覺得Kotlin會比Java簡單得多得多骤视。
七、線程安全的懶漢式單例
可是有時候我們并不想當類加載的時候就去創(chuàng)建這個單例實例蒋纬,而是想當我們使用這個實例的時候才去初始化它停撞。于是乎就有了懶漢式的單例模式
1、Kotlin實現(xiàn)
class KLazilySingleton private constructor() : Serializable {
fun doSomething() {
println("do some thing")
}
companion object {
private var mInstance: KLazilySingleton? = null
get() {
return field ?: KLazilySingleton()
}
@JvmStatic
@Synchronized//添加synchronized同步鎖
fun getInstance(): KLazilySingleton {
return requireNotNull(mInstance)
}
}
//防止單例對象在反序列化時重新生成對象
private fun readResolve(): Any {
return KLazilySingleton.getInstance()
}
}
//在Kotlin中調(diào)用
fun main(args: Array<String>) {
KLazilySingleton.getInstance().doSomething()
}
//在Java中調(diào)用
KLazilySingleton.getInstance().doSomething();
2迹蛤、Java實現(xiàn)
class LazilySingleton implements Serializable {
private static LazilySingleton mInstance;
private LazilySingleton() {}//構(gòu)造器私有化
public static synchronized LazilySingleton getInstance() {//synchronized同步鎖保證多線程調(diào)用getInstance方法線程安全
if (mInstance == null){
mInstance = new LazilySingleton();
}
return mInstance;
}
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {//防止反序列化
return mInstance;
}
}
八身坐、DCL(double check lock)改造懶漢式單例
我們知道線程安全的單例模式直接是使用synchronized同步鎖抹腿,鎖住getInstance方法,每一次調(diào)用該方法的時候都得獲取鎖贸桶,但是如果這個單例已經(jīng)被初始化了,其實按道理就不需要申請同步鎖了,直接返回這個單例類實例即可拄踪。于是就有了DCL實現(xiàn)單例方式救恨。
1伤靠、Java中DCL實現(xiàn)
//DCL實現(xiàn)單例模式
public class LazySingleTon implements Serializable {
//靜態(tài)成員私有化捣域,注意使用volatile關(guān)鍵字,因為會存在DCL失效的問題
private volatile static LazySingleTon mInstance = null;
private LazySingleTon() { //構(gòu)造器私有化
}
//公有獲取單例對象的函數(shù)
//DCL(Double Check Lock) 既能在需要的時候初始化單例宴合,又能保證線程安全焕梅,且單例對象初始化完后,調(diào)用getInstance不需要進行同步鎖
public static LazySingleTon getInstance() {
if (mInstance == null) {//為了防止單例對象初始化完后卦洽,調(diào)用getInstance再次重復(fù)進行同步鎖
synchronized (LazySingleTon.class) {
if (mInstance == null) {
mInstance = new LazySingleTon();
}
}
}
return mInstance;
}
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return mInstance;
}
}
2贞言、Kotlin中DCL實現(xiàn)
在Kotlin中有個天然特性可以支持線程安全DCL的單例,可以說也是非常非常簡單阀蒂,就僅僅3行代碼左右该窗,那就是Companion Object + lazy屬性代理,一起來看下吧蚤霞。
class KLazilyDCLSingleton private constructor() : Serializable {//private constructor()構(gòu)造器私有化
fun doSomething() {
println("do some thing")
}
private fun readResolve(): Any {//防止單例對象在反序列化時重新生成對象
return instance
}
companion object {
//通過@JvmStatic注解酗失,使得在Java中調(diào)用instance直接是像調(diào)用靜態(tài)函數(shù)一樣,
//類似KLazilyDCLSingleton.getInstance(),如果不加注解昧绣,在Java中必須這樣調(diào)用: KLazilyDCLSingleton.Companion.getInstance().
@JvmStatic
//使用lazy屬性代理规肴,并指定LazyThreadSafetyMode為SYNCHRONIZED模式保證線程安全
val instance: KLazilyDCLSingleton by lazy(LazyThreadSafetyMode.SYNCHRONIZED) { KLazilyDCLSingleton() }
}
}
//在Kotlin中調(diào)用,直接通過KLazilyDCLSingleton類名調(diào)用instance
fun main(args: Array<String>) {
KLazilyDCLSingleton.instance.doSomething()
}
//在Java中調(diào)用
public class TestMain {
public static void main(String[] args) {
//加了@JvmStatic注解后夜畴,可以直接KLazilyDCLSingleton.getInstance()拖刃,不會打破Java中調(diào)用習(xí)慣,和Java調(diào)用方式一樣贪绘。
KLazilyDCLSingleton.getInstance().doSomething();
//沒有加@JvmStatic注解序调,只能這樣通過Companion調(diào)用
KLazilyDCLSingleton.Companion.getInstance().doSomething();
}
}
注意: 建議上面例子中添加@JvmStatic注解,Kotlin這門語言可謂是操碎了心兔簇,做的很小心翼翼发绢,為了不讓Java開發(fā)者打破他們的調(diào)用習(xí)慣,讓調(diào)用根本無法感知到是Kotlin編寫垄琐,因為外部調(diào)用方式和Java方式一樣边酒。如果硬生生把Companion對象暴露給Java開發(fā)者他們可能會感到一臉懵逼。
可能大家對lazy和Companion Object功能強大感到一臉懵狸窘,讓我們一起瞅瞅反編譯后的Java代碼你就會恍然大悟了:
public final class KLazilyDCLSingleton implements Serializable {
@NotNull
private static final Lazy instance$delegate;
//Companion提供公有全局訪問點墩朦,KLazilyDCLSingleton.Companion實際上一個餓漢式的單例模式
public static final KLazilyDCLSingleton.Companion Companion = new KLazilyDCLSingleton.Companion((DefaultConstructorMarker)null);
public final void doSomething() {
String var1 = "do some thing";
System.out.println(var1);
}
private final Object readResolve() {
return Companion.getInstance();
}
private KLazilyDCLSingleton() {
}
static {//注意: 可以看到靜態(tài)代碼塊中并不是初始化KLazilyDCLSingleton的instance而是初始化它的Lazy代理對象,說明KLazilyDCLSingleton類被加載了翻擒,
//但是KLazilyDCLSingleton的instance并沒有被初始化氓涣,符合懶加載規(guī)則牛哺,那么什么時候初始化instance這就涉及到了屬性代理知識了,下面會做詳細分析
instance$delegate = LazyKt.lazy(LazyThreadSafetyMode.SYNCHRONIZED, (Function0)null.INSTANCE);
}
// $FF: synthetic method
public KLazilyDCLSingleton(DefaultConstructorMarker $constructor_marker) {
this();
}
@NotNull
public static final KLazilyDCLSingleton getInstance() {
return Companion.getInstance();//這里可以看到加了@JvmStatic注解后劳吠,getInstance內(nèi)部把我們省略Companion.getInstance()這一步引润,這樣一來Java調(diào)用者就直接KLazilyDCLSingleton.getInstance()獲取單例實例
}
//Companion靜態(tài)內(nèi)部類實際上也是一個單例模式
public static final class Companion {
// $FF: synthetic field
static final KProperty[] $$delegatedProperties = new KProperty[]{(KProperty)Reflection.property1(new PropertyReference1Impl(Reflection.getOrCreateKotlinClass(KLazilyDCLSingleton.Companion.class), "instance", "getInstance()Lcom/mikyou/design_pattern/singleton/kts/KLazilyDCLSingleton;"))};
/** @deprecated */
// $FF: synthetic method
@JvmStatic
public static void instance$annotations() {
}
@NotNull
//這個方法需要注意,最終instance初始化和獲取將在這里進行
public final KLazilyDCLSingleton getInstance() {
//拿到代理對象
Lazy var1 = KLazilyDCLSingleton.instance$delegate;
KProperty var3 = $$delegatedProperties[0];
//代理對象的getValue方法就是初始化instance和獲取instance的入口痒玩。內(nèi)部會判斷instance是否被初始化過沒有就會返回新創(chuàng)建的對象淳附,
//初始化過直接返回上一次初始化的對象。所以只有真正調(diào)用getInstance方法需要這個實例的時候instance才會被初始化蠢古。
return (KLazilyDCLSingleton)var1.getValue();
}
private Companion() {//Companion構(gòu)造器私有化
}
// $FF: synthetic method
public Companion(DefaultConstructorMarker $constructor_marker) {
this();
}
}
3奴曙、Kotlin的lazy屬性代理內(nèi)部實現(xiàn)源碼分析
//expect關(guān)鍵字標記這個函數(shù)是平臺相關(guān),我們需要找到對應(yīng)的actual關(guān)鍵字實現(xiàn)表示平臺中一個相關(guān)實現(xiàn)
public expect fun <T> lazy(mode: LazyThreadSafetyMode, initializer: () -> T): Lazy<T>
//對應(yīng)多平臺中一個平臺相關(guān)實現(xiàn)lazy函數(shù)
public actual fun <T> lazy(mode: LazyThreadSafetyMode, initializer: () -> T): Lazy<T> =
when (mode) {//根據(jù)不同mode草讶,返回不同的Lazy的實現(xiàn)洽糟,我們重點看下SynchronizedLazyImpl
LazyThreadSafetyMode.SYNCHRONIZED -> SynchronizedLazyImpl(initializer)
LazyThreadSafetyMode.PUBLICATION -> SafePublicationLazyImpl(initializer)
LazyThreadSafetyMode.NONE -> UnsafeLazyImpl(initializer)
}
private class SynchronizedLazyImpl<out T>(initializer: () -> T, lock: Any? = null) : Lazy<T>, Serializable {
private var initializer: (() -> T)? = initializer
@Volatile private var _value: Any? = UNINITIALIZED_VALUE//為了解決DCL帶來指令重排序?qū)е轮鞔婧凸ぷ鲀?nèi)存數(shù)據(jù)不一致的問題,這里使用Volatile原語注解堕战。具體Volatile為什么能解決這樣的問題請接著看后面的分析
private val lock = lock ?: this
override val value: T
get() {//當外部調(diào)用value值脊框,get訪問器會被調(diào)用
val _v1 = _value
if (_v1 !== UNINITIALIZED_VALUE) {//進行第一層的Check, 如果這個值已經(jīng)初始化過了,直接返回_v1践啄,避免走下面synchronized獲取同步鎖帶來不必要資源開銷浇雹。
@Suppress("UNCHECKED_CAST")
return _v1 as T
}
return synchronized(lock) {
val _v2 = _value
if (_v2 !== UNINITIALIZED_VALUE) {//進行第二層的Check,主要是為了_v2被初始化直接返回
@Suppress("UNCHECKED_CAST") (_v2 as T)
} else {
//如果沒有初始化執(zhí)行initializer!!() lambda,
//實際上相當于執(zhí)行外部調(diào)用傳入的 by lazy(LazyThreadSafetyMode.SYNCHRONIZED) { KLazilyDCLSingleton() } 中的KLazilyDCLSingleton()也即是返回KLazilyDCLSingleton實例對象
val typedValue initializer!!()
_value = typedValue//并把這個實例對象保存在_value中
initializer = null
typedValue
}
}
}
override fun isInitialized(): Boolean = _value !== UNINITIALIZED_VALUE
override fun toString(): String = if (isInitialized()) value.toString() else "Lazy value not initialized yet."
private fun writeReplace(): Any = InitializedLazyImpl(value)
}
4屿讽、DCL存在多線程安全問題分析及解決
- 問題分析:
DCL存在多線程安全問題昭灵,我們都知道線程安全主要來自主存和工作內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致以及重排序(指令重排序或編譯器重排序造成的)。那么DCL存在什么問題呢伐谈?
首先烂完,mInstance = new LazySingleton()
不是一個原子操作而是分為三步進行:
- 1、給LazySingleton實例分配內(nèi)存
- 2诵棵、調(diào)用LazySingleton的構(gòu)造函數(shù)抠蚣,初始化成員字段
- 3、將mInstance對象引用指向分配的內(nèi)存空間(此時mInstance不為null)
在JDK1.5之前版本的Java內(nèi)存模型中履澳,Cache,寄存器到主存回寫順序規(guī)則嘶窄,無法保證第2和第3執(zhí)行的順序,可能是1-2-3距贷,也有可能是1-3-2
若A線程先執(zhí)行了第1步柄冲,第3步,此時切換到B線程忠蝗,由于A線程中已經(jīng)執(zhí)行了第3步所以mInstance不為null现横,那么B線程中直接把mInstance取走,由于并沒有執(zhí)行第2步使用的時候就會報錯。
- 解決問題:
為了解決該問題戒祠,JDK1.5之后骇两,具體化了volatile
關(guān)鍵字,能夠確保每次都是從主存獲取最新有效值姜盈。所以需要private volatile static LazySingleTon mInstance = null;
九低千、靜態(tài)內(nèi)部類單例
DCL雖然在一定程度上能解決資源消耗、多余synchronized同步贩据、線程安全等問題栋操,但是某些情況下還會存在DCL失效問題闸餐,盡管在JDK1.5之后通過具體化volatile原語來解決DCL失效問題饱亮,但是它始終并不是優(yōu)雅一種解決方式,在多線程環(huán)境下一般不推薦DCL的單例模式舍沙。所以引出靜態(tài)內(nèi)部類單例實現(xiàn)
1近上、Kotlin實現(xiàn)
class KOptimizeSingleton private constructor(): Serializable {//private constructor()構(gòu)造器私有化
companion object {
@JvmStatic
fun getInstance(): KOptimizeSingleton {//全局訪問點
return SingletonHolder.mInstance
}
}
fun doSomething() {
println("do some thing")
}
private object SingletonHolder {//靜態(tài)內(nèi)部類
val mInstance: KOptimizeSingleton = KOptimizeSingleton()
}
private fun readResolve(): Any {//防止單例對象在反序列化時重新生成對象
return SingletonHolder.mInstance
}
}
2、Java實現(xiàn)
//使用靜態(tài)內(nèi)部單例模式
public class OptimizeSingleton implements Serializable {
//構(gòu)造器私有化
private OptimizeSingleton() {
}
//靜態(tài)私有內(nèi)部類
private static class SingletonHolder {
private static final OptimizeSingleton sInstance = new OptimizeSingleton();
}
//公有獲取單例對象的函數(shù)
public static OptimizeSingleton getInstance() {
return SingletonHolder.sInstance;
}
public void doSomeThings() {
System.out.println("do some things");
}
//防止反序列化重新創(chuàng)建對象
private Object readResolve() {
return SingletonHolder.sInstance;
}
}
十拂铡、枚舉單例
其實細心的小伙伴就會觀察到上面例子中我都會去實現(xiàn)
Serializable
接口壹无,并且會去實現(xiàn)readResolve
方法。這是為了反序列化會重新創(chuàng)建對象而使得原來的單例對象不再唯一感帅。通過序列化一個單例對象將它寫入到磁盤中斗锭,然后再從磁盤中讀取出來,從而可以獲得一個新的實例對象失球,即使構(gòu)造器是私有的岖是,反序列化會通過其他特殊途徑創(chuàng)建單例類的新實例。然而為了讓開發(fā)者能夠控制反序列化实苞,提供一個特殊的鉤子方法那就是readResolve
方法豺撑,這樣一來我們只需要在readResolve
直接返回原來的實例即可,就不會創(chuàng)建新的對象黔牵。枚舉單例實現(xiàn)聪轿,就是為了防止反序列化,因為我們都知道枚舉類反序列化是不會創(chuàng)建新的對象實例的猾浦。 Java的序列化機制對枚舉類型做了特殊處理陆错,一般來說在序列枚舉類型時,只會存儲枚舉類的引用和枚舉常量名稱金赦,反序列化的過程中危号,這些信息被用來在運行時環(huán)境中查找存在的枚舉類型對象,枚舉類型的序列化機制保證只會查找已經(jīng)存在的枚舉類型實例素邪,而不是創(chuàng)建新的實例外莲。
1、Kotlin實現(xiàn)
enum class KEnumSingleton {
INSTANCE;
fun doSomeThing() {
println("do some thing")
}
}
//在Kotlin中調(diào)用
fun main(args: Array<String>) {
KEnumSingleton.INSTANCE.doSomeThing()
}
//在Java中調(diào)用
KEnumSingleton.INSTANCE.doSomeThing();
2、Java實現(xiàn)
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
public void doSomeThing() {
System.out.println("do some thing");
}
}
//調(diào)用方式
EnumSingleton.INSTANCE.doSomeThing();
<div align="center"><img src="https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/5/14/1635c3fb0ba21ec1?w=430&h=430&f=jpeg&s=39536" width="200" height="200"></div>
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