設(shè)計(jì)模式之單例模式

xuweijian 發(fā)布于2019-08-16 12:42 / 1293人閱讀

摘要：這種情況帶來(lái)的后果是程序兩次創(chuàng)建了對(duì)象，這并不符合我們對(duì)單例模式的定義。實(shí)現(xiàn)的三個(gè)特性自由序列化線(xiàn)程安全保證單例。其次，有且僅有的構(gòu)造器，防止外部的額外構(gòu)造，這恰好與單例模式吻合。

單例模式保證一個(gè)類(lèi)僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪(fǎng)問(wèn)它的全局訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)需要某個(gè)類(lèi)只能有一個(gè)實(shí)例時(shí)，就可以采用單例模式。

保證單例模式僅有一個(gè)實(shí)例的核心思想是構(gòu)造方法私有化，即不允許外部調(diào)用該類(lèi)的構(gòu)造方法?；诖怂枷?，主要有以下兩種實(shí)現(xiàn)方式：

直接實(shí)例化

直接實(shí)例化這種方式也稱(chēng)作“餓漢式”，它直接定義了靜態(tài)成員變量 s，并通過(guò) new Singleton() 完成了初始化，之后不再變化，是線(xiàn)程安全的。
這種方式也存在一定的資源浪費(fèi)，當(dāng)沒(méi)有使用 Singleton 對(duì)象時(shí)，程序依然會(huì)創(chuàng)建 Singleton 對(duì)象。

public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static final Singleton s = new Singleton();
    public static Singleton getInstance() {
        return s;
    }
}

延遲實(shí)例化

既然直接實(shí)例化浪費(fèi)資源，那么我們是否可以考慮，在程序需要該對(duì)象的時(shí)候才創(chuàng)建它呢？當(dāng)然可以！
與直接實(shí)例化稍不同，單例成員變量 s 初始為 null，它在方法 getInstance() 內(nèi)部完成延遲實(shí)例化，并返回單例對(duì)象。

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

這種方式存在線(xiàn)程安全問(wèn)題。例如，假設(shè)兩個(gè)線(xiàn)程調(diào)用 getInstance() 方法，線(xiàn)程 1 執(zhí)行完 if(s == null)，條件成立，在執(zhí)行實(shí)例化語(yǔ)句 s = new Singleton() 之前，線(xiàn)程 2 來(lái)了，此時(shí)線(xiàn)程 2 執(zhí)行 if(s == null)，依然成立，進(jìn)入 if 語(yǔ)句體。這種情況帶來(lái)的后果是：程序兩次創(chuàng)建了對(duì)象，這并不符合我們對(duì)單例模式的定義。

針對(duì)這種情況，可以有以下四種解決方法：

完全同步

完全同步方法，是在方法上加上 synchronized 同步。當(dāng)多線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn) getInstance() 方法時(shí)，多線(xiàn)程是“串行”的。

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

這種方法，多線(xiàn)程每次訪(fǎng)問(wèn) getInstance() 都必須“串行”運(yùn)行，效率比較低。

部分同步

部分同步方法通過(guò)雙重鎖部分同步機(jī)制獲得單例對(duì)象。因?yàn)榇a中有兩行相同的語(yǔ)句 if(s == null)，故而叫做雙重鎖。第一個(gè) if 語(yǔ)句可并行，當(dāng)多線(xiàn)程均滿(mǎn)足該條件， synchronized 修飾的代碼必須串行運(yùn)行。這樣的話(huà)，其實(shí)只需要在第一次創(chuàng)建對(duì)象（通過(guò)了第一個(gè) if 判斷）的時(shí)候進(jìn)行同步，效率較高。

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

注意，volatile關(guān)鍵字是確保當(dāng) s 被初始化成 Singleton 實(shí)例時(shí)，多個(gè)線(xiàn)程可以正確處理 s，即內(nèi)存可見(jiàn)性。

靜態(tài)內(nèi)部類(lèi)

通過(guò)靜態(tài)內(nèi)部類(lèi) Inner 來(lái)實(shí)現(xiàn)單例對(duì)象。虛擬機(jī)加載應(yīng)用程序字節(jié)碼時(shí)，單例對(duì)象并不會(huì)立即創(chuàng)建，當(dāng)?shù)谝淮芜\(yùn)行 Inner.s 時(shí)，單例對(duì)象才動(dòng)態(tài)生成。這種實(shí)現(xiàn)方式無(wú) synchronized 關(guān)鍵字，提高了效率。

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

枚舉

這是單例模式的最佳實(shí)踐，它實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且在面對(duì)復(fù)雜的序列化或者反射攻擊的時(shí)候，能夠防止實(shí)例化多次。調(diào)用的時(shí)候只需要 Singleton.INSTANCE 即可。

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    // var here
    public int var;

    // methods here
    public void otherMethods() {
        System.out.println("write other methods here...");
    }
}

enum 實(shí)現(xiàn) Singleton 的三個(gè)特性：自由序列化、線(xiàn)程安全、保證單例。

首先， enum 是由 class 實(shí)現(xiàn)的，它可以有 member 和 member function。另外，由于 enum 是通過(guò)繼承 Enum 類(lèi)實(shí)現(xiàn)的，enum 結(jié)構(gòu)不能作為子類(lèi)繼承其他類(lèi)，但可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)接口。此外 enum 類(lèi)不能被繼承，在反編譯中，可以發(fā)現(xiàn)該類(lèi)由 final 修飾。

其次，enum 有且僅有 private 的構(gòu)造器，防止外部的額外構(gòu)造，這恰好與單例模式吻合。

而對(duì)于序列化和反序列化，因?yàn)槊恳粋€(gè)枚舉類(lèi)型和枚舉變量在 JVM 中都是唯一的，即 Java在序列化和反序列化枚舉時(shí)做了特殊的規(guī)定，枚舉的 writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace 和 readResolve 等方法是被編譯器禁用的，因此也不存在實(shí)現(xiàn)序列化接口后調(diào)用readObject 會(huì)破壞單例的問(wèn)題。

（完）

參考資料

GPU云服務(wù)器云服務(wù)器單例模式單例模式實(shí)現(xiàn) 單例模式總結(jié) pdo單例模式

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