返回 登录
9

面向对象软件设计模式(1)--单例模式(Singleton)

用途

保证一个类仅有一个实例, 并提供一个访问它的全局访问点。让类自身负责保存它的唯一实例。 这个类可以保证没有其他实例可以被创建(通过截取创建新对象的请求 ), 并且它可以提供一个访问该实例的方法

实例

在一部电影中,导演的作用是至关重要的,通常一部电影只有一个总导演。在电影的拍摄过程中,可能会设计多个片场,导演需要对不同的演员进行分别指导,但所有演员导演都是同一个人,“把导演叫过来” 这个过程可以视为单例模式获取实例的过程

模式分析

先来看最简单的写法

public class Single {
    private static Single instance;
    public static Single getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Single();
        }
        return instance;
    }
} 

稍作修改,把构造器改为私有的,防止被外部的类调用

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

每次获取实例对象之前先进行判空,如果对象为 null 则实例化一个 instance,如果存在则直接返回该实例。这种方法表面上看是完美的,仿佛实例只存在一个。但是,在多线程运行的时候,如果两个不同的线程同时运行到判空操作,会各自分别创建一个实例,这样一来,这种方法就不是单例了

在 getInstance() 方法上添加 synchronized 关键字

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

这样写保证了 getInstance 方法同一时刻只会有一个线程执行,但是这样做会使得除了执行这个方法的线程顺利执行外,其他所有线程都要等待,这会造成极大的系统开销,降低了程序的运行效率

这种方法代价过高,因为无论 instance 是否为 null ,每次执行时,整个方法都加上了锁,我们不妨将锁的范围尽可能的缩小,把对性能的影响降到最低,于是有了如下写法

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

只有当 instance 为 null 的时候才执行同步代码块,二次判空保证了不会产生多个实例

这样看似没问题了,但是在计算机中,有时为了提高运行效率,会对指令进行重拍,比如

int a;      //语句 A
a = 3;      //语句 B
int b = 5;      //语句 C
int c = a + b;  //语句 D

可能会被重排成 A-C-B-D 或者 C-A-B-D

语句 C 和语句 D 不具备原子性,因此也有可能被重排
getInstance 操作如果被重排,那么 instance 会存在一种 “不为 null 但是仍然未被初始化” 的状态,即已经给 instance 分配了内存空间但是并没有调用 Singleton 的构造方法来初始化 instance,执行判空的线程抢在了初始化的操作完成之前,则直接返回 instance 肯定会报错

于是有了最终版本,添加 volatile 关键字

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

volatile 关键字具有屏蔽指令重排的功能,即对 instance 加上了一把锁,在完成写操作之前不会允许其他线程进行读操作,因此,在初始化完成前,无法对其进行读操作

枚举类型是线程安全的,因此采用枚举类作为单例模式的一种实现是非常方便的

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

通过枚举类获取单例的实例

Singleton result = Singleton.INSTANCE;

适用场景

  • 类只能有一个实例而且客户可以从一个众所周知的访问点访问它
  • 这个唯一实例应该是通过子类化可扩展的, 并且客户应该无需更改代码就能使用一个扩展的实例

开源项目

本人创建的开源项目:github.com/JamesZBL/java_design_patterns ,如果觉得有用,请点击 Star。该项目目前处在开发阶段。

原文链接:Hi,我们再来聊一聊Java的单例吧

评论