深入理解 Java 中没那么简单的单例模式
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Java 程序设计语言
java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言, 是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的 Java 程序设计语言和 Java 平台 (即 JavaEE(j2ee), JavaME(j2me), JavaSE(j2se)) 的总称
这篇文章主要给大家详细介绍了 Java 单例模式, 关于 Java 中的单例模式并非看起来那么简单的, 为什么要这么说呢? 下面通过这篇文章来一起看看吧, 有需要的朋友们可以参考借鉴
前言
大家都知道关于 Java 中单例 (Singleton) 模式是一种广泛使用的设计模式单例模式的主要作用是保证在 Java 程序中, 某个类只有一个实例存在一些管理器和控制器常被设计成单例模式
单例模式有很多好处, 它能够避免实例对象的重复创建, 不仅可以减少每次创建对象的时间开销, 还可以节约内存空间; 能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误如果一个对象有可能贯穿整个应用程序, 而且起到了全局统一管理控制的作用, 那么单例模式也许是一个值得考虑的选择
单例模式有很多种写法, 大部分写法都或多或少有一些不足下面将分别对这几种写法进行介绍
1 饿汉模式
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- private Singleton() {}
- public static Singleton newInstance() {
- return instance;
- }
- }
从代码中我们看到, 类的构造函数定义为 private 的, 保证其他类不能实例化此类, 然后提供了一个静态实例并返回给调用者饿汉模式是最简单的一种实现方式, 饿汉模式在类加载的时候就对实例进行创建, 实例在整个程序周期都存在它的好处是只在类加载的时候创建一次实例, 不会存在多个线程创建多个实例的情况, 避免了多线程同步的问题它的缺点也很明显, 即使这个单例没有用到也会被创建, 而且在类加载之后就被创建, 内存就被浪费了
这种实现方式适合单例占用内存比较小, 在初始化时就会被用到的情况但是, 如果单例占用的内存比较大, 或单例只是在某个特定场景下才会用到, 使用饿汉模式就不合适了, 这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载
2 懒汉模式
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = null;
- private Singleton() {}
- public static Singleton newInstance() {
- if (null == instance) {
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
- }
懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的, 如果单例已经创建, 再次调用获取接口将不会重新创建新的对象, 而是直接返回之前创建的对象如果某个单例使用的次数少, 并且创建单例消耗的资源较多, 那么就需要实现单例的按需创建, 这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择但是这里的懒汉模式并没有考虑线程安全问题, 在多个线程可能会并发调用它的 getInstance()方法, 导致创建多个实例, 因此需要加锁解决线程同步问题, 实现如下
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = null;
- private Singleton() {}
- public static synchronized Singleton newInstance() {
- if (null == instance) {
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
- }
3 双重校验锁
加锁的懒汉模式看起来即解决了线程并发问题, 又实现了延迟加载, 然而它存在着性能问题, 依然不够完美 synchronized 修饰的同步方法比一般方法要慢很多, 如果多次调用 getInstance(), 累积的性能损耗就比较大了因此就有了双重校验锁, 先看下它的实现代码
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = null;
- private Singleton() {}
- public static Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- synchronized(Singleton.class) {
- if (instance == null) { //2
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
- }
可以看到上面在同步代码块外多了一层 instance 为空的判断由于单例对象只需要创建一次, 如果后面再次调用 getInstance()只需要直接返回单例对象因此, 大部分情况下, 调用 getInstance()都不会执行到同步代码块, 从而提高了程序性能不过还需要考虑一种情况, 假如两个线程 AB,A 执行了
if (instance == null)
语句, 它会认为单例对象没有创建, 此时线程切到 B 也执行了同样的语句, B 也认为单例对象没有创建, 然后两个线程依次执行同步代码块, 并分别创建了一个单例对象为了解决这个问题, 还需要在同步代码块中增加
if (instance == null)
语句, 也就是上面看到的代码 2
我们看到双重校验锁即实现了延迟加载, 又解决了线程并发问题, 同时还解决了执行效率问题, 是否真的就万无一失了呢?
这里要提到 Java 中的指令重排优化所谓指令重排优化是指在不改变原语义的情况下, 通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快 JVM 中并没有规定编译器优化相关的内容, 也就是说 JVM 可以自由的进行指令重排序的优化
这个问题的关键就在于由于指令重排优化的存在, 导致初始化 Singleton 和将对象地址赋给 instance 字段的顺序是不确定的在某个线程创建单例对象时, 在构造方法被调用之前, 就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值此时就可以将分配的内存地址赋值给 instance 字段了, 然而该对象可能还没有初始化若紧接着另外一个线程来调用 getInstance, 取到的就是状态不正确的对象, 程序就会出错
以上就是双重校验锁会失效的原因, 不过还好在 JDK1.5 及之后版本增加了 volatile 关键字 volatile 的一个语义是禁止指令重排序优化, 也就保证了 instance 变量被赋值的时候对象已经是初始化过的, 从而避免了上面说到的问题
代码如下:
- public class Singleton {
- private static volatile Singleton instance = null;
- private Singleton() {}
- public static Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- synchronized(Singleton.class) {
- if (instance == null) {
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
- }
4 静态内部类
除了上面的三种方式, 还有另外一种实现单例的方式, 通过静态内部类来实现首先看一下它的实现代码:
- public class Singleton {
- private static class SingletonHolder {
- public static Singleton instance = new Singleton();
- }
- private Singleton() {}
- public static Singleton newInstance() {
- return SingletonHolder.instance;
- }
- }
这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个 instance 实例它与饿汉模式一样, 也是利用了类加载机制, 因此不存在多线程并发的问题不一样的是, 它是在内部类里面去创建对象实例这样的话, 只要应用中不使用内部类, JVM 就不会去加载这个单例类, 也就不会创建单例对象, 从而实现懒汉式的延迟加载也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全
5 枚举
再来看本文要介绍的最后一种实现方式: 枚举
- public enum Singleton {
- instance;
- public void whateverMethod() {}
- }
面提到的四种实现单例的方式都有共同的缺点:
1)需要额外的工作来实现序列化, 否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例
2)可以使用反射强行调用私有构造器(如果要避免这种情况, 可以修改构造器, 让它在创建第二个实例的时候抛异常)
而枚举类很好的解决了这两个问题, 使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外, 还提供了自动序列化机制, 防止反序列化的时候创建新的对象因此, Effective Java 作者推荐使用的方法不过, 在实际工作中, 很少看见有人这么写
总结
本文总结了五种 Java 中实现单例的方法, 其中前两种都不够完美, 双重校验锁和静态内部类的方式可以解决大部分问题, 平时工作中使用的最多的也是这两种方式枚举方式虽然很完美的解决了各种问题, 但是这种写法多少让人感觉有些生疏个人的建议是, 在没有特殊需求的情况下, 使用第三种和第四种方式实现单例模式
以上就是这篇文章的全部内容了, 希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助, 如果有疑问大家可以留言交流
来源: http://www.phperz.com/article/18/0205/358779.html