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第3章 單例(Singleton)模式
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3.1 概述
如果要保證系統(tǒng)里一個(gè)類最多只能存在一個(gè)實(shí)例時(shí)，我們就需要單例模式。這種情況在我們應(yīng)用中經(jīng)常碰到，例如緩存池，數(shù)據(jù)庫連接池，線程池，一些應(yīng)用服務(wù)實(shí)例等。在多線程環(huán)境中，為了保證實(shí)例的唯一性其實(shí)并不簡單，這章將和讀者一起探討如何實(shí)現(xiàn)單例模式。
3.2 最簡單的單例
為了限制該類的對象被隨意地創(chuàng)建，我們保證該類構(gòu)造方法是私有的，這樣外部類就無法創(chuàng)建該類型的對象了;另外，為了給客戶對象提供對此單例對象的使用，我們?yōu)樗峁┮粋€(gè)全局訪問點(diǎn)，代碼如下所示：
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- //other fields…
- private Singleton() {
- }
- public static Singleton getInstance() {
- return instance;
- }
- //other methods…
- }
代碼注解：
l Singleton類的只有一個(gè)構(gòu)造方法，它是被private修飾的，客戶對象無法創(chuàng)建該類實(shí)例。
l 我們?yōu)榇藛卫龑?shí)現(xiàn)的全局訪問點(diǎn)是public static Singleton getInstance()方法，注意，instance變量是私有的，外界無法訪問的。
讀者還可以定義instance變量是public的，這樣把屬性直接暴露給其他對象，就沒必要實(shí)現(xiàn)public static Singleton getInstance()方法，但是可讀性沒有方法來的直接，而且把該實(shí)例變量的名字直接暴露給客戶程序，增加了代碼的耦合度，如果改變此變量名稱，會引起客戶類的改變。
還有一點(diǎn)，如果該實(shí)例需要比較復(fù)雜的初始化過程時(shí)，把這個(gè)過程應(yīng)該寫在static{…}代碼塊中。
l 此實(shí)現(xiàn)是線程安全的，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)去訪問該類的getInstance()方法時(shí)，不會初始化多個(gè)不同的對象，這是因?yàn)?，JVM(Java Virtual Machine)在加載此類時(shí)，對于static屬性的初始化只能由一個(gè)線程執(zhí)行且僅一次[1]。
由于此單例提供了靜態(tài)的公有方法，那么客戶使用單例模式的代碼也就非常簡單了，如下所示：
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
3.3 進(jìn)階
3.3.1 延遲創(chuàng)建
如果出于性能等的考慮，我們希望延遲實(shí)例化單例對象(Static屬性在加載類是就會被初始化)，只有在第一次使用該類的實(shí)例時(shí)才去實(shí)例化，我們應(yīng)該怎么辦呢?
這個(gè)其實(shí)并不難做到，我們把單例的實(shí)例化過程移至getInstance()方法，而不在加載類時(shí)預(yù)先創(chuàng)建。當(dāng)訪問此方法時(shí)，首先判斷該實(shí)例是不是已經(jīng)被實(shí)例化過了，如果已被初始化，則直接返回這個(gè)對象的引用;否則，創(chuàng)建這個(gè)實(shí)例并初始化，最后返回這個(gè)對象引用。代碼片段如下所示：
- public class UnThreadSafeSingelton {
- //variables and constructors…
- public static UnThreadSafeSingelton getInstance() {
- if(instatnce ==null){
- instatnce = new UnThreadSafeSingelton();
- }
- return instatnce;
- }
- }
我們使用這句if(instatnce ==null) 判斷是否實(shí)例化完成了。此方法不是線程安全的，接下來我們將會討論。
3.3.2 線程安全
上節(jié)我們創(chuàng)建了可延遲初始化的單例，然而不幸的是，在高并發(fā)的環(huán)境中，getInstance()方法返回了多個(gè)指向不同的該類實(shí)例，究竟是什么原因呢?我們針對此方法，給出兩個(gè)線程并發(fā)訪問getInstance()方法時(shí)的一種情況，如下所示：
t1 t2
1 if(instatnce ==null)
2 if(instatnce ==null)
3 instatnce = new UnThreadSafeSingelton();
4 return instatnce;
5 instatnce = new UnThreadSafeSingelton()
6 return instatnce;
如果這兩個(gè)線程按照上述步驟執(zhí)行，不難發(fā)現(xiàn)，在時(shí)刻1和2，由于還沒有創(chuàng)建單例對象，Thread1和Thread2都會進(jìn)入創(chuàng)建單例實(shí)例的代碼塊分別創(chuàng)建實(shí)例。在時(shí)刻3，Thread1創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)例對象，但是Thread2此時(shí)已無法知道，繼續(xù)創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例對象，于是這兩個(gè)線程持有的實(shí)例并非為同一個(gè)。更為糟糕的是，在沒有自動內(nèi)存回收機(jī)制的語言平臺上運(yùn)行這樣的單例模式，例如使用C++編寫此模式，因?yàn)槲覀冋J(rèn)為創(chuàng)建了一個(gè)單例實(shí)例，忽略了其他線程所產(chǎn)生的對象，不會手動去回收它們，引起了內(nèi)存泄露。
為了解決這個(gè)問題，我們給此方法添加synchronized關(guān)鍵字，代碼如下：
- public class ThreadSafeSingelton {
- //variables and constructors…
- public static synchronized ThreadSafeSingelton getInstance() {
- if(instatnce ==null){
- instatnce = new ThreadSafeSingelton();
- }
- return instatnce;
- }
- }
這樣，再多的線程訪問都只會實(shí)例化一個(gè)單例對象。
3.3.3 Double-Check Locking
上述途徑雖然實(shí)現(xiàn)了多線程的安全訪問，但是在多線程高并發(fā)訪問的情況下，給此方法加上synchronized關(guān)鍵字會使得性能大不如前。我們仔細(xì)分析一下不難發(fā)現(xiàn)，使用了synchronized關(guān)鍵字對整個(gè)getInstance()方法進(jìn)行同步是沒有必要的：我們只要保證實(shí)例化這個(gè)對象的那段邏輯被一個(gè)線程執(zhí)行就可以了，而返回引用的那段代碼是沒有必要同步的。按照這個(gè)想法，我們的代碼片段大致如下所示：
- public class DoubleCheckSingleton {
- private volatile static DoubleCheckSingleton instatnce = null;
- //constructors
- public static DoubleCheckSingleton getInstance() {
- if (instatnce == null) { //check if it is created.
- synchronized (DoubleCheckSingleton.class) { //synchronize creation block
- if (instatnce == null) //double check if it is created
- instatnce = new DoubleCheckSingleton();
- }
- }
- return instatnce;
- }
- }
代碼注解：
l 在getInstance()方法里，我們首先判斷此實(shí)例是否已經(jīng)被創(chuàng)建了，如果還沒有創(chuàng)建，首先使用synchronized同步實(shí)例化代碼塊。在同步代碼塊里，我們還需要再次檢查是否已經(jīng)創(chuàng)建了此類的實(shí)例，這是因?yàn)椋喝绻麤]有第二次檢查，這時(shí)有兩個(gè)線程Thread A和Thread B同時(shí)進(jìn)入該方法，它們都檢測到instatnce為null，不管哪一個(gè)線程先占據(jù)同步鎖創(chuàng)建實(shí)例對象，都不會阻止另外一個(gè)線程繼續(xù)進(jìn)入實(shí)例化代碼塊重新創(chuàng)建實(shí)例對象，這樣，同樣會生成兩個(gè)實(shí)例對象。所以，我們在同步的代碼塊里，進(jìn)行第二次判斷判斷該對象是否已被創(chuàng)建。
正是由于使用了兩次的檢查，我們稱之為double-checked locking模式。
l 屬性instatnce是被volatile修飾的，因?yàn)関olatile具有synchronized的可見性特點(diǎn)，也就是說線程能夠自動發(fā)現(xiàn)volatile變量的最新值。這樣，如果instatnce實(shí)例化成功，其他線程便能立即發(fā)現(xiàn)。
注意：
此程序只有在JAVA 5及以上版本才能正常運(yùn)行，在以前版本不能保證其正常運(yùn)行。這是由于Java平臺的內(nèi)存模式容許out-of-order writes引起的，假定有兩個(gè)線程，Thread 1和Thread 2，它們執(zhí)行以下步驟：
1. Thread 1發(fā)現(xiàn)instatnce沒有被實(shí)例化，它獲得鎖并去實(shí)例化此對象，JVM容許在沒有完全實(shí)例化完成時(shí)，instance變量就指向此實(shí)例，因?yàn)檫@些步驟可以是out-of-order writes的，此時(shí)instance==null為false，之前的版本即使用volatile關(guān)鍵字修飾也無效。
2. 在初始化完成之前，Thread 2進(jìn)入此方法，發(fā)現(xiàn)instance已經(jīng)不為null了，Thread 2便認(rèn)為該實(shí)例初始化完成了，使用這個(gè)未完全初始化的實(shí)例對象，則很可能引起系統(tǒng)的崩潰。
3.3.4 Initialization on demand holder
要使用線程安全的延遲的單例初始化，我們還有一種方法，稱為Initialization on demand holder模式，代碼如下所示：
- public class LazyLoadedSingleton {
- private LazyLoadedSingleton() {
- }
- private static class LazyHolder { //holds the singleton class
- private static final LazyLoadedSingleton singletonInstatnce = new LazyLoadedSingleton();
- }
- public static LazyLoadedSingleton getInstance() {
- return LazyHolder.singletonInstatnce;
- }
- }
當(dāng)JVM加載LazyLoadedSingleton類時(shí)，由于該類沒有static屬性，所以加載完成后便即可返回。只有第一次調(diào)用getInstance()方法時(shí)，JVM才會加載LazyHolder類，由于它包含一個(gè)static屬性singletonInstatnce，所以會首先初始化這個(gè)變量，根據(jù)前面的介紹，我們知道此過程并不會出現(xiàn)并發(fā)問題(JLS保證)，這樣即實(shí)現(xiàn)了一個(gè)既線程安全又支持延遲加載的單例模式。
3.3.5 Singleton的序列化
如果單例類實(shí)現(xiàn)了Serializable接口，這時(shí)我們得特別注意，因?yàn)槲覀冎涝谀J(rèn)情況下，每次反序列化(Desierialization)總會創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例對象，這樣一個(gè)系統(tǒng)會出現(xiàn)多個(gè)對象供使用。我們應(yīng)該怎么辦呢?
熟悉Java序列化的讀者可能知道，我們需要在readResolve()方法里做文章，此方法在反序列化完成之前被執(zhí)行，我們在此方法里替換掉反序列化出來的那個(gè)新的實(shí)例，讓其指向內(nèi)存中的那個(gè)單例對象即可，代碼實(shí)現(xiàn)如下：
- import java.io.Serializable;
- public class SerialibleSingleton implements Serializable {
- private static final long serialVersionUID = -6099617126325157499L;
- static SerialibleSingleton singleton = new SerialibleSingleton();
- private SerialibleSingleton() {
- }
- // This method is called immediately after an object of this class is deserialized.
- // This method returns the singleton instance.
- private Object readResolve() {
- return singleton;
- }
- }
方法readResolve()直接返回singleton單例，這樣，我們在內(nèi)存中始終保持了一個(gè)唯一的單例對象。
3.4 總結(jié)
通過這一章的學(xué)習(xí)，我相信大家對于基本的單例模式已經(jīng)有了一個(gè)比較充分的認(rèn)識。其實(shí)我們這章討論的是在同一個(gè)JVM中，如何保證一個(gè)類只有一個(gè)單例，如果在分布式環(huán)境中，我們可能需要考慮如何保證在整個(gè)應(yīng)用(可能分布在不同JVM上)只有一個(gè)實(shí)例，但這也超出本書范疇，在這里將不再做深入研究，有興趣的讀者可以查閱相關(guān)資料深入研究。
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[1] Static屬性和Static初始化塊(Static Initializers)的初始化過程是串行的，這個(gè)由JLS(Java Language Specification)保證，參見James Gosling, Bill Joy, Guy Steele and Gilad Bracha編寫的《 The Java? Language Specification Third Edition》一書的12.4一節(jié)。
原文鏈接：http://redhat.iteye.com/blog/1007884
標(biāo)題名稱：漫談設(shè)計(jì)模式-技術(shù)要點(diǎn)詳解
瀏覽地址：http://www.5511xx.com/article/cdcoheh.html
