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《研磨设计模式》试读样章 第五章

2013年09月16日 ⁄ 综合 ⁄ 共 18565字 ⁄ 字号 评论关闭
文章目录

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第5章  单例模式(Singleton)

 5.1  场 景
问 题



5.1.1  读取配置文件的内容

考虑这样一个应用,读取配置文件的内容。

很多应用项目,都有与应用相关的配置文件,这些配置文件很多是由项目开发人员自定义的,在里面定义一些应用需要的参数数据。当然在实际的项目中,这种配置文件多采用xml格式,也有采用properties格式的,毕竟使用Java来读取properties格式的配置文件比较简单。

现在要读取配置文件的内容,该如何实现呢?

5.1.2  不用模式的解决方案

有些朋友会想,要读取配置文件的内容,这也不是个困难的事情,直接读取文件的内容,然后把文件内容存放在相应的数据对象里面就可以了。真的这么简单吗?先实现看看吧。

为了示例简单,假设系统采用的是properties格式的配置文件。

(1)直接使用Java来读取配置文件的示例代码如下:

/**

 * 读取应用配置文件

 */

public class AppConfig {

    /**

     * 用来存放配置文件中参数A的值

     */

    private String parameterA;

    /**

     * 用来存放配置文件中参数B的值

     */

    private String parameterB; 

 

圆角矩形标注: 注意:只有访问参数的方法,没有设置参数的方法
    public String getParameterA()
{

        return parameterA;

    }

    public String getParameterB() {

        return parameterB;

    }

    /**

     * 构造方法

     */

    public AppConfig(){

        //调用读取配置文件的方法

        readConfig();

    }

    /**

     * 读取配置文件,把配置文件中的内容读出来设置到属性上

     */

    private void readConfig(){

        Properties p = new Properties();

        InputStream in = null;

        try {

            in =
AppConfig.class.getResourceAsStream(

                                             
"AppConfig.properties");

           
p.load(in);

           
//把配置文件中的内容读出来设置到属性上

           
this.parameterA = p.getProperty("paramA");

            this.parameterB =
p.getProperty("paramB");

        } catch
(IOException e) {

           
System.out.println("装载配置文件出错了,具体堆栈信息如下:");

            e.printStackTrace();

        }finally{

            try {

                in.close();

            } catch (IOException e) {

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }

}

(2)应用的配置文件,名字是AppConfig.properties,放在AppConfig相同的包里面。简单示例如下:

paramA=a

paramB=b

(3)写个客户端来测试一下。示例代码如下:

public
class Client {

    public static void
main(String[] args) {

       
//创建读取应用配置的对象

        AppConfig config =
new AppConfig();

 

        String paramA =
config.getParameterA();

        String
paramB = config.getParameterB();

 

       
System.out.println("paramA="+paramA+",paramB="+paramB);

    }

}

运行结果如下:

paramA=a,paramB=b



5.1.3  有何问题

        
上面的实现很简单,很容易的就实现要求的功能。仔细想想,有没有什么问题呢?

        
看看客户端使用这个类的地方,是通过new一个AppConfig的实例来得到一个操作配置文件内容的对象。如果在系统运行中,有很多地方都需要使用配置文件的内容,也就是说很多地方都需要创建AppConfig对象的实例。

换句话说,在系统运行期间,系统中会存在很多个AppConfig的实例对象,这有什么问题吗?

当然有问题了,试想一下,每一个AppConfig实例对象里面都封装着配置文件的内容,系统中有多个AppConfig实例对象,也就是说系统中会同时存在多份配置文件的内容,这样会严重浪费内存资源。如果配置文件内容较少,问题还小一点,如果配置文件内容本来就多的话,对于系统资源的浪费问题就大了。事实上,对于AppConfig这种类,在运行期间,只需要一个实例对象就是够了。

把上面的描述进一步抽象一下,问题就出来了:在一个系统运行期间,某个类只需要一个类实例就可以了,那么应该怎样实现呢?



5.2  解 决 方 案

5.2.1  使用单例模式来解决
问题

用来解决上述问题的一个合理的解决方案就是单例模式(Singleton)。那么什么是单例模式呢?

文本框: 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。1
:单例模式的定义


 

2
:应用单例模式来解决问题的思路

        
仔细分析上面的问题,现在一个类能够被创建多个实例,问题的根源在于类的构造方法是公开的,也就是可以让类的外部来通过构造方法创建多个实例。换句话说,只要类的构造方法能让类的外部访问,就没有办法去控制外部来创建这个类的实例个数。

        
要想控制一个类只被创建一个实例,那么首要的问题就是要把创建实例的权限收回来,让类自身来负责自己类实例的创建工作,然后由这个类来提供外部可以访问这个类实例的方法,这就是单例模式的实现方式。

5.2.2  单例模式的结构和说明

单例模式的结构如图5.1所示。

图5.1  单例模式结构图

Singleton

负责创建Singleton类自己的唯一实例,并提供一个getInstance的方法,让外部来访问这个类的唯一实例。

5.2.3  单例模式示例代码

在Java中,单例模式的实现又分为两种,一种称为懒汉式,一种称为饿汉式,其实就是在具体创建对象实例的处理上,有不同的实现方式。下面分别来看看这两种实现方式的代码示例。为何这么写,具体在后面再来讲述。

(1)懒汉式实现示例代码如下:

/**

 * 懒汉式单例实现的示例

 */

public class Singleton {

    /**

     * 定义一个变量来存储创建好的类实例

     */

    private static Singleton uniqueInstance =
null;

    /**

     * 私有化构造方法,可以在内部控制创建实例的数目

     */

    private Singleton(){

        //

    }

    /**

     * 定义一个方法来为客户端提供类实例

     * @return 一个Singleton的实例

     */

    public static synchronized Singleton
getInstance(){

       
//判断存储实例的变量是否有值

       
if(uniqueInstance == null){

           
//如果没有,就创建一个类实例,并把值赋值给存储类实例的变量

            uniqueInstance = new
Singleton();

        }

        //如果有值,那就直接使用

        return uniqueInstance;

    }

    /**

     * 示意方法,单例可以有自己的操作

     */

    public void singletonOperation(){

        //功能处理

    }

    /**

     * 示意属性,单例可以有自己的属性

     */

    private String singletonData;

    /**

     * 示意方法,让外部通过这些方法来访问属性的值

     * @return 属性的值

     */

    public String getSingletonData(){

        return singletonData;

    }

}

(2)饿汉式实现,示例代码如下:

/**

 * 饿汉式单例实现的示例

 */

public class Singleton {

    /**

     *
定义一个变量来存储创建好的类实例,直接在这里创建类实例,只能创建一次

   
 */

    private static Singleton
uniqueInstance = new Singleton();

   
/**

     * 私有化构造方法,可以在内部控制创建实例的数目

     */

    private Singleton(){

        //

    }

    /**

     * 定义一个方法来为客户端提供类实例

     * @return 一个Singleton的实例

     */

    public static Singleton
getInstance(){

       
//直接使用已经创建好的实例

        return
uniqueInstance;

    }

 

    /**

     * 示意方法,单例可以有自己的操作

     */

    public void singletonOperation(){

        //功能处理

    }

    /**

     * 示意属性,单例可以有自己的属性

     */

    private String singletonData;

    /**

     * 示意方法,让外部通过这些方法来访问属性的值

     * @return 属性的值

     */

    public String getSingletonData(){

        return singletonData;

    }

}

关于饿汉式、懒汉式的名称说明:

饿汉式、懒汉式其实是一种比较形象的称谓。

   
所谓饿汉式,既然饿,那么在创建对象实例的时候就比较着急,饿了嘛,于是就在装载类的时候就创建对象实例,写法如下:

private static Singleton uniqueInstance = new
Singleton();  

    
所谓懒汉式,既然是懒,那么在创建对象实例的时候就不着急,会一直等到马上要使用对象实例的时候才会创建,懒人嘛,总是推托不开的时候才去真正执行工作,因此在装载对象的时候不创建对象实例,写法如下:

private static Singleton uniqueInstance =
null;

而是等到第一次使用的时候,才去创建实例,也就是在getInstance方法里面去判断和创建

5.2.4  使用单例模式重写示例

        
由于单例模式有两种实现方式,这里选择一种来实现就可以了,我们选择饿汉式的实现方式来重写示例吧。

         采用饿汉式的实现方式来重写实例的示例代码如下:

/**

 * 读取应用配置文件,单例实现

 */

public class AppConfig {

   
/**

     *
定义一个变量来存储创建好的类实例,直接在这里创建类实例,只能创建一次

   
 */

    private static AppConfig instance = new
AppConfig();

    /**

     *

定义一个方法来为客户端提供
AppConfig
类的实例

     *
@return

一个
AppConfig
的实例

   
 */

    public static AppConfig
getInstance(){

        return instance;

   
}

 

    /**

     * 用来存放配置文件中参数A的值

     */

    private String parameterA;

    /**

     * 用来存放配置文件中参数B的值

     */

    private String parameterB;

    public String getParameterA() {

        return parameterA;

    }

    public String getParameterB() {

        return parameterB;

    }

    /**

     *

私有化构造方法

   
 */

    private AppConfig(){

       
//

调用读取配置文件的方法

       
readConfig();

    }

    /**

     * 读取配置文件,把配置文件中的内容读出来设置到属性上

     */

    private void readConfig(){

        Properties p = new Properties();

        InputStream in = null;

        try {

            in =
AppConfig.class.getResourceAsStream(

                                    
          "AppConfig.properties");

            p.load(in);

            //把配置文件中的内容读出来设置到属性上

            this.parameterA =
p.getProperty("paramA");

           
this.parameterB = p.getProperty("paramB");

        } catch (IOException e) {

           
System.out.println("装载配置文件出错了,具体堆栈信息如下:");

            e.printStackTrace();

        }finally{

            try {

                in.close();

            } catch (IOException e) {

                e.printStackTrace();

            }

        }

    }  

}

当然,测试的客户端也需要相应地变化。示例代码如下:

public
class Client {

    public static void
main(String[] args) {

       
//创建读取应用配置的对象

        AppConfig config =
AppConfig.getInstance();

 

        String paramA =
config.getParameterA();

        String
paramB = config.getParameterB();

 

       
System.out.println("paramA="+paramA+",paramB="+paramB);

    }

}


        
测试看看,是否能满足要求。

5.3  模 式 讲 解



5.3.1  认识单例模式

1
、单例模式的功能

单例模式是用来保证这个类在运行期间只会被创建一个类实例,另外,单例模式还提供了一个全局唯一访问这个类实例的访问点,就是getInstance
方法。不管采用懒汉式还是饿汉式的实现方式,这个全局访问点是一样的。

对于单例模式而言,不管采用何种实现方式,它都是只关心类实例的创建问题,并不关心具体的业务功能。

2
、单例模式的范围

也就是在多大范围内是单例呢?


观察上面的实现可以知道,目前Java里面实现的单例是一个虚拟机的范围。因为装载类的功能是虚拟机的,所以一个虚拟机在通过自己的ClassLoader装载饿汉式实现单例类的时候就会创建一个类的实例。

注意

 

文本框: 另外请注意一点,这里讨论的单例模式并不适用于集群环境,对于集群环境下的单例这里不去讨论,它不属于这里的内容范围。
这就意味着如果一个机器上有多个虚拟机,那么每个虚拟机里面都应该有一个这个类的实例,但是整个机器上就有很多个实例了。

3
、单例模式的命名

一般建议单例模式的方法命名为getInstance(),这个方法的返回类型肯定是单例类的类型了。getInstance()方法可以有参数,这些参数可能是创建类实例所需要的参数,当然,大多数情况下是不需要的。

单例模式的名称有单例、单件、单体等,只是翻译的不同,都是指的同一个模式。

5.3.2  懒汉式和饿汉式实现

前面提到了单例模式有两种典型的解决方案,一种叫懒汉式,另一种叫饿汉式,这两种方式究竟是如何实现的,下面分别来看看。为了看得更清晰一点,只是实现基本的单例控制部分,不再提供示例的属性和方法了;而且暂时也不去考虑线程安全的问题,这个问题在后面将会重点分析。


1

、第一种方案——懒汉式

1
)私有化构造方法

要想在运行期间控制某一个类的实例只有一个,首要的任务就是要控制创建实例的地方,也就是不能随随便便就可以创建类实例,否则就无法控制所创建的实例个数了。现在是让使用类的地方来创建类实例,也就是在类外部来创建类实例。

那么怎样才能让类的外部不能创建一个类的实例呢?很简单,私有化构造方法就可以了。示例代码如下:

private
Singleton(){

}

2
)提供获取实例的方法

构造方法被私有化了,外部使用这个类的地方不干了,外部创建不了类实例就没有办法调用这个对象的方法,就实现不了功能调用。这可不行,经过思考,单例模式决定让这个类提供一个方法来返回类的实例,方便外面使用。示例代码如下:

public
Singleton getInstance(){

}

3
)把获取实例的方法变成静态的

又有新的问题了,获取对象实例的这个方法是一个实例方法,也就是说客户端要想调用这个方法,需要先得到类实例,然后才可以调用,可是这个方法就是为了得到类实例,这样一来不就形成一个死循环了吗?这也是典型的“先有鸡还是先有蛋的问题”。

解决方法也很简单,在方法上加上static,这样就可以直接通过类来调用这个方法,而不需要先得到类实例。示例代码如下:

public static
Singleton getInstance(){

}

4
)定义存储实例的属性

方法定义好了,那么方法内部如何实现呢?如果直接创建实例并返回,这样行不行呢?示例代码如下:

public
static Singleton getInstance(){

  
return new Singleton();

}

当然不行了,如果每次客户端访问都这样直接new一个实例,那肯定会有多个实例,根本实现不了单例的功能。

怎么办呢?单例模式想到了一个办法,那就是用一个属性来记录自己创建好的类实例。当第一次创建后,就把这个实例保存下来,以后就可以复用这个实例,而不是重复创建对象实例了。示例代码如下:

private
Singleton instance = null;

5
)把这个属性也定义成静态的

这个属性变量应该在什么地方用呢?肯定是第一次创建类实例的地方,也就是在前面那个返回对象实例的静态方法里面使用。

由于要在一个静态方法里面使用,所以这个属性被迫成为一个类变量,要强制加上static,也就是说,这里并没有使用static的特性。示例代码如下:

private
static
Singleton instance =
null;

6
)实现控制实例的创建

现在应该到getInstance方法里面实现控制实例的创建了。控制的方式很简单,只要先判断一下是否已经创建过实例就可以了。如何判断?那就看存放实例的属性是否有值,如果有值,说明已经创建过了,如果没有值,则应该创建一个。示例代码如下:

public
static Singleton getInstance(){

   
//先判断instance是否有值

    if(instance ==
null){

        
//如果没有值,说明还没有创建过实例,那就创建一个

        
//并把这个实例设置给instance

        instance =
new Singleton ();

    }

     //如果有值,或者是创建了值,那就直接使用

    return instance;

}

7
)完整的实现

至此,成功解决了在运行期间,控制某个类只被创建一个实例的要求。完整的代码如下。为了大家好理解,用注释标示了代码的先后顺序。

public
class Singleton {

   
//4:定义一个变量来存储创建好的类实例

   
//5:因为这个变量要在静态方法中使用,所以需要加上static修饰

   
private static Singleton instance = null;

    //1:私有化构造方法,好在内部控制创建实例的数目

    private Singleton(){   

    }

    //2:定义一个方法来为客户端提供类实例

    //3:这个方法需要定义成类方法,也就是要加static

    public static Singleton
getInstance(){

       
//6:判断存储实例的变量是否有值

        if(instance ==
null){

           
//6.1:如果没有,就创建一个类实例,并把值赋给存储类实例的变量

            instance = new Singleton();

        }

        //6.2:如果有值,那就直接使用

        return instance;

    }

}


1

、第二种方案——饿汉式

这种方案和第一种方案相比,前面的私有化构造方法,提供静态的getInstance方法来返回实例等步骤都一样。差别在于如何实现getInstance方法,在这个地方,单例模式还想到了另外一种方法来实现getInstance方法。

不就是要控制只创造一个实例吗?那么有没有什么现成的解决办法呢?很快,单例模式回忆起了Java中static的特性。

n          static变量在类装载的时候进行初始化。

n          多个实例的static变量会共享同一块内存区域。

这就意味着,在Java中,static变量只会被初始化一次,就是在类装载的时候,而且多个实例都会共享这个内存空间,这不就是单例模式要实现的功能吗?真是得来全不费功夫啊。根据这些知识,写出了第二种解决方案的代码。

圆角矩形标注: 注意在这里就创建类实例了
public class Singleton {

   
//4:定义一个静态变量来存储创建好的类实例

   
//直接在这里创建类实例,只能创建一次

    private static
Singleton instance = new Singleton();

    //1:私有化构造方法,可以在内部控制创建实例的数目

    private Singleton(){       

    }

    //2:定义一个方法来为客户端提供类实例

    //3:这个方法需要定义成类方法,也就是要加static

    public static Singleton
getInstance(){

圆角矩形标注: 这个方法里面就不需要控制代码了
        //5:直接使用已经创建好的实例

        return instance;

    }

}

 

 
 

 

 

 

 

        
所以在查看上面两种方案代码的时候,仔细看看编号。顺着编号的顺序看,可以体会出两种方案的不一样。

不管是采用哪一种方式,在运行期间,都只会生成一个实例,而访问这些类的一个全局访问点,就是那个静态的getInstance方法。

3
、单例模式的调用顺序示意图

由于单例模式有两种实现方式,所以它的调用顺序也分成两种。

先来看懒汉式的调用顺序,如图5.2所示。

图5.2  懒汉式调用顺序示意图

饿汉式的调用顺序如图5.3所示。

图5.3  饿汉式调用顺序示意图



5.3.3  延迟加载的思想

单例模式的懒汉式实现方式体现了延迟加载的思想。什么是延迟加载呢?

通俗点说,延迟加载就是一开始不要加载资源或者数据,一直等,等到马上就要使用这个资源或者数据了,躲不过去了才加载,所以也称Lazy
Load,不是懒惰啊,是“延迟加载”,这在实际开发中是一种很常见的思想,尽可能地节约资源。

体现在什么地方呢?请看如下代码:

public
static Singleton getInstance(){

圆角矩形标注: 这里就体现了延迟加载,马上就要使用这个实例了,还不知道有没有呢,所以判断一下,如果没有,没办法了,赶紧创建一个吧
       


   
if(instance == null){

        instance =
new Singleton();

    }

    return instance;

 

}



5.3.4  缓存的思想

单例模式的懒汉式实现还体现了缓存的思想,缓存也是实际开发中常见的功能。

简单讲就是,当某些资源或者数据被频繁地使用,而这些资源或数据存储在系统外部,比如数据库、硬盘文件等,那么每次操作这些数据的时候都得从数据库或者硬盘上去获取,速度会很慢,将造成性能问题。

一个简单的解决方法就是:把这些数据缓存到内存里面,每次操作的时候,先到内存里面找,看有没有这些数据,如果有,就直接使用,如果没有就获取它,并设置到缓存中,下一次访问的时候就可以直接从内存中获取了,从而节省大量的时间。当然,缓存是一种典型的空间换时间的方案

缓存在单例模式的实现中是怎样体现的呢?

public
class Singleton {

    private static Singleton instance =
null;

圆角矩形标注: 这个属性就是用来缓存实例的
    private Singleton(){

 

    }

    public static Singleton
getInstance(){

        //
判断存储实例的变量是否有值

        if(instance == null){

            //
如果没有,就创建一个类实例,并把值赋给存储类实例的变量

圆角矩形标注: 缓存的实现            instance = new
Singleton();

        }

       
//

如果有值,那就直接使用

        return instance;

    }

}



5.3.5  Java中缓存的基本实现

下面来看看在Java开发中缓存的基本实现,在Java开发中最常见的一种实现缓存的方式就是使用Map,基本步骤如下。

(1)先到缓存里面查找,看看是否存在需要使用的数据。

(2)如果没有找到,那么就创建一个满足要求的数据,然后把这个数据设置到缓存中,以备下次使用。如果找到了相应的数据,或者是创建了相应的数据,那就直接使用这个数据。

还是看看示例吧。示例代码如下:

/**

 * Java中缓存的基本实现示例

 */

public class JavaCache {

    /**

     *
缓存数据的容器,定义成Map是方便访问,直接根据key就可以获取Value了

     * key选用String是为了简单,方便演示

     */

    private Map<String,Object> map = new
HashMap<String,Object>();

   
/**

     * 从缓存中获取值

     * @param key 设置时候的key值

     * @return key对应的Value值

     */

    public Object getValue(String key){

        //先从缓存里面取值

        Object obj = map.get(key);

        //判断缓存里面是否有值

        if(obj == null){

           
//如果没有,那么就去获取相应的数据,比如读取数据库或者文件

            //这里只是演示,所以直接写个假的值

            obj = key+",value";

            //把获取的值设置回到缓存里面

            map.put(key, obj);

        }

        //如果有值了,就直接返回使用

        return obj;

    }

}

这里只是缓存的基本实现,还有很多功能都没有考虑,比如缓存的清除,缓存的同步等。当然,Java的缓存还有很多实现方式,也是非常复杂的,现在有很多专业的缓存框架。更多缓存的知识,这里就不再讨论了。



5.3.6  利用缓存来实现单例模式

应用Java缓存的知识,可以变相实现Singleton模式,也算是一个模拟实现吧。每次都先从缓存中取值。只要创建一次对象实例后,就设置了缓存的值,那么下次就不用再创建了。

虽然不是很标准的做法,但是同样可以实现单例模式的功能为了简单,先不去考虑多线程的问题示例代码如下:

/**

 * 使用缓存来模拟实现单例

 */

public class Singleton {

    /**

     * 定义一个默认的key值,用来标识在缓存中的存放

     */

    private final static String DEFAULT_KEY =
"One";

    /**

     * 缓存实例的容器

     */

    private static Map<String,Singleton>
map =

                                   new
HashMap<String,Singleton>();

   
/**

     * 私有化构造方法

     */

    private Singleton(){

        //

    }

    public static Singleton
getInstance(){

        //先从缓存中获取

        Singleton instance =
(Singleton)map.get(DEFAULT_KEY);

       
//如果没有,就新建一个,然后设置回缓存中

       
if(instance==null){

            instance
= new Singleton();

           
map.put(DEFAULT_KEY, instance);

       
}

        //如果有就直接使用

        return instance;

    }

}


        

是不是也能实现单例所要求的功能呢?前面讲过,实现模式的方式有很多种,并不是只有模式的参考实现所实现的方式,上面这种也能实现单例所要求的功能,只不过实现比较麻烦,不是太好而已,但在后面扩展单例模式的时候会有用。

另外,前面也讲过,模式是经验的积累,模式的参考实现并不一定是最优的,对于单例模式,后面将会给大家一些更好的实现方式。

5.3.7  单例模式的优缺点

1
、时间和空间

比较上面两种写法:懒汉式是典型的时间换空间
,也就是每次获取实例都会进行判断,看是否需要创建实例,浪费判断的时间。当然,如果一直没有人使用的话,那就不会创建实例,则节约内存空间。

饿汉式是典型的空间换时间
,当类装载的时候就会创建类实例,不管你用不用,先创建出来,然后每次调用的时候,就不需要再判断了,节省了运行时间。

2
、线程安全

(1)从线程安全性上讲,不加同步的懒汉式是线程不安全的
,比如,有两个线程,一个是线程A,一个是线程B,它们同时调用getInstance方法,那就可能导致并发问题。如下示例:

 
  圆角矩形标注: B线程运行到这句话,正在进行判断

 

public static  Singleton getInstance(){

    if(instance == null){

圆角矩形标注: A线程已经运行到这里了,还没有执行完下面一句话;而此时B线程运行到上面了,正在进行判断
             

 

 

        instance = new Singleton();

    }

    return instance;

}

程序继续运行,两个线程都向前走了一步,如下:

public
static  Singleton getInstance(){

   
if(instance == null){

圆角矩形标注: 1:由于B线程运行较快,一下就判断出instance==null,为true
2:而此时A线程正在创建实例,也就是正运行new Singleton()
3:但是B线程已经判断完了,也进入到这里了
           

 

 

 

 
  云形标注: 问题产生了:这样就没有控制住,并发了,会创建两个实例了

 

 

 

 

 

圆角矩形标注: A线程正在创建实例,
        instance =
new
Singleton();

    }

    return
instance;

}

可能有些朋友会觉得文字描述还是不够直观,再来画个图说明一下,如图5.4所示。

图5.4  懒汉式单例的线程问题示意图

通过图5.4的分解描述,明显地看出,当A、B线程并发的情况下,会创建出两个实例来,也就是单例的控制在并发情况下失效了。

(2)饿汉式是线程安全的
,因为虚拟机保证只会装载一次,在装载类的时候是不会发生并发的。

(3)如何实现懒汉式的线程安全呢?

当然懒汉式也是可以实现线程安全的,只要加上synchronized即可,如下:

public
static synchronized Singleton getInstance(){}

但是这样一来,会降低整个访问的速度,而且每次都要判断。那么有没有更好的方式来实现呢?

(4)双重检查加锁

可以使用“双重检查加锁”
的方式来实现,就可以既实现线程安全,又能够使性能不受到很大的影响。那么什么是“双重检查加锁”机制呢?

所谓双重检查加锁机制,指的是:并不是每次进入getInstance方法都需要同步,而是先不同步,进入方法过后,先检查实例是否存在,如果不存在才进入下面的同步块,这是第一重检查。进入同步块过后,再次检查实例是否存在,如果不存在,就在同步的情况下创建一个实例,这是第二重检查。这样一来,就只需要同步一次了,从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。

 

文本框: 在Java1.4及以前版本中,很多JVM对于volatile关键字的实现有问题,会导致双重检查加锁的失败,因此双重检查加锁的机制只能用在Java5及以上的版本。
双重检查加锁机制的实现会使用一个关键字volatile,它的意思是:被volatile修饰的变量的值,将不会被本地线程缓存,所有对该变量的读写都是直接操作共享内存,从而确保多个线程能正确的处理该变量。

看看代码可能会更加清楚些。示例代码如下:

public
class Singleton {

    /**

     * 对保存实例的变量添加volatile的修饰

     */

    private volatile static Singleton instance
= null;

    private Singleton(){   

    }

    public static  Singleton
getInstance(){

       
//先检查实例是否存在,如果不存在才进入下面的同步块

       
if(instance == null){

           
//同步块,线程安全地创建实例

           
synchronized(Singleton.class){

               
//再次检查实例是否存在,如果不存在才真正地创建实例

                if(instance == null){

                    instance = new
Singleton();

                }

            }

        }

        return instance;

    }

}

提示

 

文本框: 由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化,所以运行效率并不是很高。因此一般建议,没有特别的需要,不要使用。也就是说,虽然可以使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例,但并不建议大量采用,可以根据情况来选用。
        
这种实现方式可以实现既线程安全地创建实例,而又不会对性能造成太大的影响。它只是在第一次创建实例的时候同步,以后就不需要同步了,从而加快了运行速度。

   5.3.8  在Java中一种更好的单例实现方式

        
根据上面的分析,常见的两种单例实现方式都存在小小的缺陷,那么有没有一种方案,既能够实现延迟加载,又能够实现线程安全呢?

还真有高人想到这样的解决方案了,这个解决方案被称为Lazy initialization
holder class模式,这个模式综合使用了Java的类级内部类和多线程缺省同步锁的知识,很巧妙地同时实现了延迟加载和线程安全。

1、相应的基础知识

先简单地看看类级内部类相关的知识。

n           什么是类级内部类?

简单点说,类级内部类指的是,有static修饰的成员式内部类。如果没有static修饰的成员式内部类被称为对象级内部类。

n          
类级内部类相当于其外部类的static成分,它的对象与外部类对象间不存在依赖关系,因此可直接创建。而对象级内部类的实例,是绑定在外部对象实例中的。

n          
类级内部类中,可以定义静态的方法。在静态方法中只能够引用外部类中的静态成员方法或者成员变量。

n          
类级内部类相当于其外部类的成员,只有在第一次被使用的时候才会被装载。

再来看看多线程缺省同步锁的知识。

大家都知道,在多线程开发中,为了解决并发问题,主要是通过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。但是在某些情况中,JVM已经隐含地为您执行了同步,这些情况下就不用自己再来进行同步控制了。这些情况包括:

n           由静态初始化器(在静态字段上或 static{}
块中的初始化器)初始化数据时

n           访问 final
字段时

n           在创建线程之前创建对象时

n           线程可以看见它将要处理的对象时

2、解决方案的思路

要想很简单地实现线程安全,可以采用静态初始化器的方式,它可以由JVM来保证线程的安全性。比如前面的饿汉式实现方式。但是这样一来,不是会浪费一定的空间吗?因为这种实现方式,会在类装载的时候就初始化对象,不管你需不需要。

如果现在有一种方法能够让类装载的时候不去初始化对象,那不就解决问题了?一种可行的方式就是采用类级内部类,在这个类级内部类里面去创建对象实例。这样一来,只要不使用到这个类级内部类,那就不会创建对象实例,从而同时实现延迟加载和线程安全。

看看代码示例可能会更清晰一些,示例代码如下:

public
class Singleton {

    /**

     *
类级的内部类,也就是静态的成员式内部类,该内部类的实例与外部类的实例

   
 * 没有绑定关系,而且只有被调用到时才会装载,从而实现了延迟加载

   
 */

    private static class
SingletonHolder{

        /**

         * 静态初始化器,由JVM来保证线程安全

         */

        private static Singleton instance =
new Singleton();

    }

    /**

     * 私有化构造方法

     */

    private Singleton(){

    }

    public static  Singleton
getInstance(){

        return
SingletonHolder.instance;

    }

}

         仔细想想,是不是很巧妙呢!

当getInstance方法第一次被调用的时候,它第一次读取SingletonHolder.instance,导致SingletonHolder类得到初始化;而这个类在装载并被初始化的时候,会初始化它的静态域,从而创建Singleton的实例,由于是静态的域,因此只会在虚拟机装载类的时候初始化一次,并由虚拟机来保证它的线程安全性。

这个模式的优势在于,getInstance方法并没有被同步,并且只是执行一个域的访问,因此延迟初始化并没有增加任何访问成本。

5.3.9  单例和枚举

按照《高效Java
第二版》中的说法:单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

为了理解这个观点,先来了解一点相关的枚举知识,这里只是强化和总结一下枚举的一些重要观点,更多基本的枚举的使用,请参看Java编程入门资料。

n          
Java的枚举类型实质上是功能齐全的类,因此可以有自己的属性和方法。

n          
Java枚举类型的基本思想是通过公有的静态final域为每个枚举常量导出实例的类。

n           从某个角度讲,枚举是单例的泛型化,本质上是单元素的枚举。

用枚举来实现单例非常简单,只需要编写一个包含单个元素的枚举类型即可。示例代码如下:

/**

 * 使用枚举来实现单例模式的示例

 */

public enum Singleton {

    /**

     *

定义一个枚举的元素
,
它就代表了
Singleton
的一个实例

   
 */

    uniqueInstance;

 

    /**

     * 示意方法,单例可以有自己的操作

     */

    public void singletonOperation(){

        //功能处理

    }

}

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁,而且无偿地提供了序列化的机制,并由JVM从根本上提供保障,绝对防止多次实例化,是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。



5.3.10  思考单例模式

文本框: 单例模式的本质:控制实例数目。1
、单例模式的本质


 

单例模式是为了控制在运行期间,某些类的实例数目只能有一个。可能有人就会思考,能不能控制实例数目为2个,3个,或者是任意多个呢?目的都是一样的,节约资源啊,有些时候单个实例不能满足实际的需要,会忙不过来,根据测算,3个实例刚刚好。也就是说,现在要控制实例数目为3个,怎么办呢?

其实思路很简单,就是利用上面通过Map来缓存实现单例的示例,进行变形,一个Map可以缓存任意多个实例。新的问题是,Map中有多个实例,但是客户端调用的时候,到底返回哪一个实例呢,也就是实例的调度问题,我们只是想来展示设计模式,对于调度算法就不去深究了,做个最简单的循环返回就好可以了。示例代码如下:

/**

* 简单演示如何扩展单例模式,控制实例数目为3个

*/

public class OneExtend {

    /**

      * 定义一个缺省的key值的前缀

      */

    private final static String DEFAULT_PREKEY
= "Cache";

    /**

      * 缓存实例的容器

      */

    private static Map<String,OneExtend>
map =

                             new
HashMap<String,OneExtend>();

   
/**

      *
用来记录当前正在使用第几个实例,到了控制的最大数目,就返回从1开始

     
*/

    private static int num = 1;

    /**

      * 定义控制实例的最大数目

      */

    private final static int NUM_MAX = 3;

    private OneExtend(){}

圆角矩形标注: 缓存的体现,通过控制缓存的数据多少来控制实例数目
    public static OneExtend
getInstance(){

        String key =
DEFAULT_PREKEY+num;


        OneExtend oneExtend = map.get(key);

        if(oneExtend==null){

            oneExtend = new OneExtend();

            map.put(key, oneExtend);

        }

        //把当前实例的序号加1

        num++;

        if(num > NUM_MAX){

           
//如果实例的序号已经达到最大数目了,那就重复从1开始获取

            num = 1;

        }

        return oneExtend;      

    }

 

    public static void main(String[] args)
{

        OneExtend t1 = getInstance
();

        OneExtend t2 = getInstance
();

        OneExtend t3 = getInstance
();

        OneExtend t4 = getInstance
();

        OneExtend t5 = getInstance
();

圆角矩形标注: 测试是否能满足功能要求
        OneExtend t6 = getInstance ();

 

        System.out.println("t1=="+t1);

        System.out.println("t2=="+t2);

        System.out.println("t3=="+t3);

        System.out.println("t4=="+t4);

        System.out.println("t5=="+t5);

        System.out.println("t6=="+t6);

    }

}

测试一下,看看结果,如下:

t1==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@6b97fd

t2==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@1c78e57

t3==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@5224ee

t4==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@6b97fd

t5==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@1c78e57

t6==cn.javass.dp.singleton.example9.OneExtend@5224ee

第一个实例和第四个相同,第二个与第五个相同,第三个与第六个相同。也就是说一共只有三个实例,而且调度算法是从第一个依次取到第三个,然后回来继续从第一个开始取到第三个。

注意

 

文本框: 这种实现方式同样是线程不安全的,需要处理,这里就不再展开去讲解了。
当然在这里我们不去考虑复杂的调度情况,也不去考虑何时应该创建新实例的问题。

2
、何时选用单例模式

建议在如下情况时,选用单例模式。

当需要控制一个类的实例只能有一个,而且客户只能从一个全局访问点访问它时,可以选用单例模式,这些功能恰好是单例模式要解决的问题。



5.3.11  相关模式

很多模式都可以使用单例模式,只要这些模式中的某个类,需要控制实例为一个的时候,就可以很自然地使用上单例模式。比如抽象工厂方法中的具体工厂类就通常是一个单例。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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