采取一定的办法保证在整个软件系统中,单例模式确保对于某个类只能存在一个实例。有如下三个特点:
①、单例类只能有一个实例
②、单例类必须自己创建自己的实例
③、单例类必须提供外界获取这个实例的方法
①、外界不能创建这个类的实例,那么必须将构造器私有化。
public class Singleton {
//构造器私有化
private Singleton(){
}
}
②、单例类必须自己创建自己的实例,不能允许在类的外部修改内部创建的实例,所以将这个实例用 private 声明。为了外界能访问到这个实例,我们还必须提供 get 方法得到这个实例。因为外界不能 new 这个类,所以我们必须用 static 来修饰字段和方法。
//在类的内部自己创建实例
private static Singleton singleton = new Singleton();
//提供get 方法以供外界获取单例
public Singleton getInstance(){
return singleton;
}
public class Singleton {
//构造器私有化
private Singleton(){
}
//在类的内部自己创建实例
private static Singleton singleton = new Singleton();
//提供get 方法以供外界获取单例
public static Singleton getInstance(){
return singleton;
}
}
测试:
public static void main(String[] args) {
Singleton s1 = Singleton.getInstance();
Singleton s2 = Singleton.getInstance();
System.out.println(s1.equals(s2)); //true
}
这种模式避免了多线程的同步问题,不过在 类装载的时候就进行了实例化,有可能这个实例化过程很长,那么就会加大类装载的时间;有可能这个实例现阶段根本用不到,那么创建了这个实例,也会浪费内存。没有达到 lazy-loading 的效果。
//懒汉模式
public class Singleton {
//构造器私有化
private Singleton(){
}
//在类的内部自己创建实例的引用
private static Singleton singleton = null;
//提供get 方法以供外界获取单例
public static Singleton getInstance(){
if(singleton == null){
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
}
这种方法达到了 lazy-loading 的效果,即我们在第一次需要得到这个单例的时候,才回去创建它的实例,以后再需要就可以不用创建,直接获取了。但是这种设计在多线程的情况下是不安全的。
我们可以创建两个线程来看看这种情况:
public class ThreadSingleton extends Thread{
@Override
public void run() {
try {
System.out.println(Singleton.getInstance());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
ThreadSingleton s1 = new ThreadSingleton();
s1.start(); //com.ys.pattern.Singleton@5994a1e9
ThreadSingleton s2 = new ThreadSingleton();
s2.start(); //com.ys.pattern.Singleton@40dea6bc
}
}
很明显:最后输出结果的两个实例是不同的。这便是线程安全问题。那么怎么解决这个问题呢?
参考这篇博客:Java多线程同步:https://cloud.tencent.com/developer/article/1012630
这里我们采用同步代码块来达到线程安全
//懒汉模式线程安全
public class Singleton {
//构造器私有化
private Singleton(){
}
//在类的内部自己创建实例的引用
private static Singleton singleton = null;
//提供get 方法以供外界获取单例
public static Singleton getInstance() throws Exception{
synchronized (Singleton.class) {
if(singleton == null){
singleton = new Singleton();
}
}
return singleton;
}
}
分析:上面的例子我们可以看到,synchronized 其实将方法内部的所有语句都已经包括了,每一个进来的线程都要单独进入同步代码块,判断实例是否存在,这就造成了性能的浪费。那么我们可以想到,其实在第一次已经创建了实例的情况下,后面再获取实例的时候,可不可以不进入这个同步代码块?
//懒汉模式线程安全--双重锁校验
public class Singleton {
//构造器私有化
private Singleton(){
}
//在类的内部自己创建实例的引用
private static Singleton singleton = null;
//提供get 方法以供外界获取单例
public static Singleton getInstance() throws Exception{
if(singleton == null){
synchronized (Singleton.class) {
if(singleton == null){
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
以上的真的完美解决了单例模式吗?其实并没有,请看下面:
我们知道编译就是将源代码翻译成机械码的过程,而Java虚拟机的目标代码不是本地机器码,而是虚拟机代码。编译原理里面有个过程是编译优化,就是指在不改变原来语义的情况下,通过调整语句的顺序,来让程序运行的更快,这个过程称为 reorder。
JVM 只是一个标准,它并没有规定有关编译器优化的内容,也就是说,JVM可以自由的实现编译器优化。
那么我们来再来考虑一下,创建一个变量需要哪些步骤?
①、申请一块内存,调用构造方法进行初始化
②、分配一个指针指向该内存
而这两步谁先谁后呢?也就是存在这样一种情况:先开辟一块内存,然后分配一个指针指向该内存,最后调用构造方法进行初始化。
那么针对单例模式的设计,就会存在这样一个问题:线程 A 开始创建 Singleton 的实例,此时线程 B已经调用了 getInstance的()方法,首先判断 instance 是否为 null。而我们上面说的那种模型, A 已经把 instance 指向了那块内存,只是还没来得及调用构造方法进行初始化,因此 B 检测到 instance 不为 null,于是直接把 instance 返回了。那么问题出现了:尽管 instance 不为 null,但是 A 并没有构造完成,就想一套房子已经给了你钥匙,但是里面还没有装修,你并不能住进去。
解决方案:使用 volatile 关键字修饰 instance
我们知道在当前的Java内存模型下,线程可以把变量保存在本地内存(比如机器的寄存器)中,而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值,而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝,造成数据的不一致。
volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时,都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且,当成员变量发生变化时,强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻,两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。
//懒汉模式线程安全--volatile
public class Singleton {
//构造器私有化
private Singleton(){
}
//在类的内部自己创建实例的引用
private static volatile Singleton singleton = null;
//提供get 方法以供外界获取单例
public static Singleton getInstance() throws Exception{
if(singleton == null){
synchronized (Singleton.class) {
if(singleton == null){
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
到此我们完美的解决了单例模式的问题。但是 volatile 关键字是 JDK1.5 才有的,也就是 JDK1.5 之前是不能这样用的
PS:我们还可以使用 枚举类型 或静态内部类来实现单例模式
public enum Singleton{
INSTANCE;
private Singleton(){}
}
public class InnerSingleton {
private InnerSingleton(){}
public static InnerSingleton getInstance(){
return Inner.instance;
}
static class Inner{
static InnerSingleton instance = new InnerSingleton();
}
public static void main(String [] args){
System.out.println(InnerSingleton.getInstance()==InnerSingleton.getInstance());//true
System.out.println(InnerSingleton.getInstance().equals(InnerSingleton.getInstance()));//true
}
单例模式的应用:
1、windows 系统的回收站,我们能在任何盘符删除数据,但是最后都是到了回收站中
2、网站的计数器,不过不采用单例模式,很难实现同步
3、数据库连接池,可以节省打开或关闭数据库连接所引起的效率损耗,用单例模式来维护,可以大大降低这种损耗。
由上可以总结单例模式的应用场景:
①、资源共享
②、方便资源互相通信