Java設計模式 - 單例模式

標籤：它的   面向   loader   安全   private   工廠   初始化   構造   base   

本文繼續介紹23種設計模式系列之單例模式。

概念：
　　Java中單例模式是一種常見的設計模式，單例模式的寫法有好幾種，這裡主要介紹三種：懶漢式單例、餓漢式單例、登記式單例。
　　單例模式有以下特點：
　　1、單例類只能有一個執行個體。
　　2、單例類必須自己建立自己的唯一執行個體。
　　3、單例類必須給所有其他對象提供這一執行個體。
　　單例模式確保某個類只有一個執行個體，而且自行執行個體化並向整個系統提供這個執行個體。在電腦系統中，線程池、緩衝、日誌對象、對話方塊、印表機、顯卡的驅動程式對象常被設計成單例。這些應用都或多或少具有資源管理員的功能。每台電腦可以有若干個印表機，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個列印工作同時輸出到印表機中。每台電腦可以有若干通訊連接埠，系統應當集中管理這些通訊連接埠，以避免一個通訊連接埠同時被兩個請求同時調用。總之，選擇單例模式就是為了避免不一致狀態，避免政出多頭。

一、懶漢式單例

  

//懶漢式單例類.在第一次調用的時候執行個體化自己   public class Singleton {      private Singleton() {}      private static Singleton single=null;      //靜態Factory 方法       public static Singleton getInstance() {           if (single == null) {                 single = new Singleton();           }            return single;      }  }  

 

Singleton通過將構造方法限定為private避免了類在外部被執行個體化，在同一個虛擬機器範圍內，Singleton的唯一執行個體只能通過getInstance()方法訪問。

（事實上，通過Java反射機制是能夠執行個體化構造方法為private的類的，那基本上會使所有的Java單例實現失效。此問題在此處不做討論，姑且掩耳盜鈴地認為反射機制不存在。）

但是以上懶漢式單例的實現沒有考慮安全執行緒問題，它是線程不安全的，並發環境下很可能出現多個Singleton執行個體，要實現安全執行緒，有以下三種方式，都是對getInstance這個方法改造，保證了懶漢式單例的安全執行緒，如果你第一次接觸單例模式，對安全執行緒不是很瞭解，可以先跳過下面這三小條，去看餓漢式單例，等看完後面再回頭考慮安全執行緒的問題：

 

1、在getInstance方法上加同步

  

public static synchronized Singleton getInstance() {           if (single == null) {                 single = new Singleton();           }            return single;  }  

2、雙重檢查鎖定 

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

 

3、靜態內部類 

public class Singleton {        private static class LazyHolder {           private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();        }        private Singleton (){}        public static final Singleton getInstance() {           return LazyHolder.INSTANCE;        }    } 

 

這種比上面1、2都好一些，既實現了安全執行緒，又避免了同步帶來的效能影響。

 

二、餓漢式單例 

//餓漢式單例類.在類初始化時，已經自行執行個體化   public class Singleton1 {      private Singleton1() {}      private static final Singleton1 single = new Singleton1();      //靜態Factory 方法       public static Singleton1 getInstance() {          return single;      }  }  

 

餓漢式在類建立的同時就已經建立好一個靜態對象供系統使用，以後不再改變，所以天生是安全執行緒的。 

三、登記式單例(可忽略)

//類似Spring裡面的方法，將類名註冊，下次從裡面直接擷取。  public class Singleton3 {      private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();      static{          Singleton3 single = new Singleton3();          map.put(single.getClass().getName(), single);      }      //保護的預設構造子      protected Singleton3(){}      //靜態Factory 方法,返還此類惟一的執行個體      public static Singleton3 getInstance(String name) {          if(name == null) {              name = Singleton3.class.getName();              System.out.println("name == null"+"--->name="+name);          }          if(map.get(name) == null) {              try {                  map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance());              } catch (InstantiationException e) {                  e.printStackTrace();              } catch (IllegalAccessException e) {                  e.printStackTrace();              } catch (ClassNotFoundException e) {                  e.printStackTrace();              }          }          return map.get(name);      }      //一個示意性的商業方法      public String about() {              return "Hello, I am RegSingleton.";          }          public static void main(String[] args) {          Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);          System.out.println(single3.about());      }  }  

 

 登記式單例實際上維護了一組單例類的執行個體，將這些執行個體存放在一個Map（登記薄）中，對於已經登記過的執行個體，則從Map直接返回，對於沒有登記的，則先登記，然後返回。 

這裡我對登記式單例標記了可忽略，我的理解來說，首先它用的比較少，另外其實內部實現還是用的餓漢式單例，因為其中的static方法塊，它的單例在類被裝載的時候就被執行個體化了。

 

餓漢式和懶漢式區別

從名字上來說，餓漢和懶漢，

餓漢就是類一旦載入，就把單例初始化完成，保證getInstance的時候，單例是已經存在的了，

而懶漢比較懶，只有當調用getInstance的時候，才回去初始化這個單例。

另外從以下兩點再區分以下這兩種方式：

 

1、安全執行緒：

餓漢式天生就是安全執行緒的，可以直接用於多線程而不會出現問題，

懶漢式本身是非安全執行緒的，為了實現安全執行緒有幾種寫法，分別是上面的1、2、3，這三種實現在資源載入和效能方面有些區別。

2、資源載入和效能：

餓漢式在類建立的同時就執行個體化一個靜態對象出來，不管之後會不會使用這個單例，都會佔據一定的記憶體，但是相應的，在第一次調用時速度也會更快，因為其資源已經初始化完成，

而懶漢式顧名思義，會消極式載入，在第一次使用該單例的時候才會執行個體化對象出來，第一次調用時要做初始化，如果要做的工作比較多，效能上會有些延遲，之後就和餓漢式一樣了。

至於1、2、3這三種實現又有些區別，

第1種，在方法調用上加了同步，雖然安全執行緒了，但是每次都要同步，會影響效能，畢竟99%的情況下是不需要同步的，

第2種，在getInstance中做了兩次null檢查，確保了只有第一次調用單例的時候才會做同步，這樣也是安全執行緒的，同時避免了每次都同步的效能損耗

第3種，利用了classloader的機制來保證初始化instance時只有一個線程，所以也是安全執行緒的，同時沒有效能損耗，所以一般我傾向於使用這一種。

 

什麼是安全執行緒？

如果你的代碼所在的進程中有多個線程在同時運行，而這些線程可能會同時運行這段代碼。如果每次運行結果和單線程啟動並執行結果是一樣的，而且其他的變數的值也和預期的是一樣的，就是安全執行緒的。

或者說：一個類或者程式所提供的介面對於線程來說是原子操作，或者多個線程之間的切換不會導致該介面的執行結果存在二義性,也就是說我們不用考慮同步的問題，那就是安全執行緒的。

 

應用

以下是一個單例類使用的例子，以懶漢式為例，這裡為了保證安全執行緒，使用了雙重檢查鎖定的方式：

 

public class TestSingleton {      String name = null;            private TestSingleton() {      }        private static volatile TestSingleton instance = null;        public static TestSingleton getInstance() {             if (instance == null) {                 synchronized (TestSingleton.class) {                    if (instance == null) {                       instance = new TestSingleton();                   }                 }               }              return instance;      }        public String getName() {          return name;      }        public void setName(String name) {          this.name = name;      }        public void printInfo() {          System.out.println("the name is " + name);      }    }  

 

可以看到裡面加了volatile關鍵字來聲明單例對象，既然synchronized已經起到了多線程下原子性、有序性、可見度的作用，為什麼還要加volatile呢，原因已經在下面評論中提到，

還有疑問可參考http://www.iteye.com/topic/652440
和http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

public class TMain {      public static void main(String[] args){          TestStream ts1 = TestSingleton.getInstance();          ts1.setName("jason");          TestStream ts2 = TestSingleton.getInstance();          ts2.setName("0539");                    ts1.printInfo();          ts2.printInfo();                    if(ts1 == ts2){              System.out.println("建立的是同一個執行個體");          }else{              System.out.println("建立的不是同一個執行個體");          }      }  }  

 運行結果：

結論：由結果可以得知單例模式為一個物件導向的應用程式提供了對象惟一的訪問點，不管它實現何種功能，整個應用程式都會同享一個執行個體對象。

對於單例模式的幾種實現方式，知道餓漢式和懶漢式的區別，安全執行緒，資源載入的時機，還有懶漢式為了實現安全執行緒的3種方式的細微差別。

 參考：JAVA設計模式之單例模式

Java設計模式 - 單例模式