Java 设计模式 单例模式:单例对象是一种常用的设计模式。在 Java 应用中,单例对象能保证在一个 JVM 中,该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处:
1、某些类创建比较频繁,对于一些大型的对象,这是一笔很大的系统开销。
2、省去了 new 操作符,降低了系统内存的使用频率,减轻 GC 压力。
3、有些类如交易所的核心交易引擎,控制着交易流程,如果该类可以创建多个的话,系统完全乱了。(比如一个军队出现了多个司令员同时指挥,肯定会乱成一团),所以只有使用单例模式,才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。
下面是一个简单的单例类
- public class Singleton {
- /* 持有私有静态实例,防止被引用,此处赋值为null,目的是实现延迟加载 */
- private static Singleton instance = null;
- /* 私有构造方法,防止被实例化 */
- private Singleton() {}
- /* 静态工程方法,创建实例 */
- public static Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
- /* 如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致 */
- public Object readResolve() {
- return instance;
- }
- }
这个类可以满足基本要求,但是,像这样毫无线程安全保护的类,如果我们把它放入多线程的环境下,肯定就会出现问题了,如何解决? 我们首先会想到对 getInstance 方法加 synchronized 关键字,如下:
- public static synchronized Singleton getSingleton() {
- if (singleton == null) {
- singleton = new Singleton();
- }
- return singleton;
- }
但是,synchronized 关键字锁住的是这个对象,这样的用法,在性能上会有所下降,因为每次调用 getInstance(),都要对对象上锁,事实上,只有在第一次创建对象的时候需要加锁,之后就不需要了,所以,这个地方需要改进。我们改成下面这个:
- public static Singleton getSingleton() {
- if (singleton == null) {
- synchronized(singleton) {
- if (singleton == null) {
- singleton = new Singleton();
- }
- }
- }
- return singleton;
- }
似乎解决了之前提到的问题,将 synchronized 关键字加在了内部,也就是说当调用的时候是不需要加锁的,只有在 instance 为 null,并创建对象的时候才需要加锁,性能有一定的提升。但是,这样的情况,还是有可能有问题的,看下面的情况:在 Java 指令中创建对象和赋值操作是分开进行的,也就是说 instance = new Singleton(); 语句是分两步执行的。
但是 JVM 并不保证这两个操作的先后顺序,也就是说有可能 JVM 会为新的 Singleton 实例分配空间,然后直接赋值给 instance 成员,然后再去初始化这个 Singleton 实例。这样就可能出错了,我们以 A、B 两个线程为例:
a>A、B 线程同时进入了第一个 if 判断
b>A 首先进入 synchronized 块,由于 instance 为 null,所以它执行 instance = new Singleton();
c > 由于 JVM 内部的优化机制,JVM 先画出了一些分配给 Singleton 实例的空白内存,并赋值给 instance 成员 (注意此时 JVM 没有开始初始化这个实例),然后 A 离开了 synchronized 块。
d>B 进入 synchronized 块,由于 instance 此时不是 null,因此它马上离开了 synchronized 块并将结果返回给调用该方法的程序。
e > 此时 B 线程打算使用 Singleton 实例,却发现它没有被初始化,于是错误发生了。
所以程序还是有可能发生错误,其实程序在运行过程是很复杂的,从这点我们就可以看出,尤其是在写多线程环境下的程序更有难度,有挑战性。我们对该程序做进一步优化:
- private static class SingletonFactory {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- }
- public static Singleton getInstance() {
- return SingletonFactory.instance;
- }
实际情况是,单例模式使用内部类来维护单例的实现,JVM 内部的机制能够保证当一个类被加载的时候,这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用 getInstance 的时候,JVM 能够帮我们保证 instance 只被创建一次,并且会保证把赋值给 instance 的内存初始化完毕,这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制,这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式:
- public class Singleton {
- /* 私有构造方法,防止被实例化 */
- private Singleton() {}
- /* 此处使用一个内部类来维护单例 */
- private static class SingletonFactory {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- }
- /* 获取实例 */
- public static Singleton getInstance() {
- return SingletonFactory.instance;
- }
- /* 如果该对象被用于序列化,可以保证对象在序列化前后保持一致 */
- public Object readResolve() {
- return getInstance();
- }
- }
在补充一句
线程安全
如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行,而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的,
而且其他的变量的值也和预期的是一样的,就是线程安全的。
或者说:一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作,或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,
也就是说我们不用考虑同步的问题,那就是线程安全的。
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