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万字总结之单例模式

万字总结之单例模式
这是学习Java的小姐姐第47篇原创文章

前言

这里不得不先吐槽下,尤其是接手原来的老项目,负责人已经溜了,你不得不上。哎,要是代码写的优雅,注释明了,那就是祖上烧高香了,得此优秀项目。那要是写的一团糟,代码耦合性强,牵一发而动全身,注释根本没有,变量名方法名不规范,甚至用拼音的,那真的分分钟想打人的心都有了。那读代码根本就靠猜好吗,完全考验你和对方的心有灵犀程度。哎,算了,小仙女不生气,要温柔(微笑脸)。

万字总结之单例模式

吐槽结束,那我们平常的要多学习下设计模式,写出不让人吐槽的代码。之前文章已经说过了设计模式的七大原则,即接口屏蔽原则,开闭原则,依赖倒转原则,迪米特原则,里氏替换原则,单一职责原则,合成复用原则,不明白的,可以移至XXXX(代写)。从今天开始我们就要学习一些常见的设计模式,方便我们以后看源码使用,当然,也可以指导我们平常的编码任务。

我们常见的设计模式主要有23种,分为3种类型,咱也不全说,只写重要的几个把。

创建型:单例模式,工厂模式,原型模式

结构型:适配器模式,装饰模式,代理模式

行为型:模板模式,观察者模式,状态模式,责任链模式

单例模式的概念和作用

概念

系统中只需要一个全局的实例,比如一些工具类,Converter,SqlSession等。

为什么要用单例模式?

  • 只有一个全局的实例,减少了内存开支,特别是某个对象需要频繁的创建和销毁的时候,而创建和销毁的过程由jvm执行,我们无法对其进行优化,所以单例模式的优势就显现出来啦。
  • 单例模式可以避免对资源的多重占用,避免出现多线程的复杂问题。

单例模式的写法重点

构造方法私有化

我们需要将构造方法私有化,而默认不写的话,是公有的构造方法,外部可以显式的调用来创建对象,我们的目的是让外部不能创建对象。

提供获取实例的公有方法

对外只提供一个公有的的方法,用来获取实例,而这个实例是否是唯一的,单例的,由方法决定,外部无需关心。

单例模式的常见写法(如下,重点)

饿汉式和懒汉式的区别

饿汉式,从名字上也很好理解,就是“比较饿”,迫不及待的想吃饭,实例在初始化的时候就已经建好了,不管你有没有用到,都先建好了再说。

懒汉式,从名字上也很好理解,就是“比较懒”,不想吃饭,等饿的时候再吃。在初始化的时候先不建好对象,如果之后用到了,再创建对象。

1.饿汉式(静态变量)–可以使用

a.测试

A类

public class A {
    //私有的构造方法
    private A(){}
    //私有的静态变量
    private final static A a=new A();
    //对外的公有方法
    public static A getInstance(){
        return a;
    }
}

测试类

public class test {
    public static void main(String[] args){
        A a1=A.getInstance();
        System.out.println(a1.hashCode());

        A a2=A.getInstance();
        System.out.println(a2.hashCode());
    }
}

运行结果

万字总结之单例模式

b.说明

该方法采用的静态常量的方法来生成对应的实例,其只在类加载的时候就生成了,后续并不会再生成,所以其为单例的。

c.优点

在类加载的时候,就完成实例化,避免线程同步问题。

d.缺点

没有达到懒加载的效果,如果从始到终都没有用到这个实例,可能会导致内存的浪费。

2.饿汉式(静态代码块)–可以使用

a.测试

A类

public class A {
    //私有的构造方法
     private A(){}
    //私有的静态变量
     private final static A a;
    //静态代码块
    static{ a=new A(); }
    //对外的公有方法
    public static A getInstance(){
     return a;
    }
}

测试类

public class test {
    public static void main(String[] args){
        A a1=A.getInstance();
        System.out.println(a1.hashCode());

        A a2=A.getInstance();
        System.out.println(a2.hashCode());
    }
}

运行结果

万字总结之单例模式

b.说明

该静态代码块的饿汉式单例模式与静态变量的饿汉式模式大同小异,只是将初始化过程移到了静态代码块中。

c.优点缺点

与静态变量饿汉式的优缺点类似。

3.懒汉式

a.测试

A类

public class A {
    //私有的构造方法
    private A(){}
    //私有的静态变量
    private  static A a;
    //对外的公有方法
    public static A getInstance(){
        if(a==null){
            a=new A();
        }
        return a;
    }
}

测试类和运行结果同上。

b.优点

该方法的确做到了用到即加载,也就是当调用getInstance的时候,才判断是否有该对象,如果不为空,则直接放回,如果为空,则新建一个对象并返回,达到了懒加载的效果。

c.缺点

当多线程的时候,可能会产生多个实例。比如我有两个线程,同时调用getInstance方法,并都到了if语句,他们都新建了对象,那这里就不是单例的啦。

4.懒汉式(线程安全,同步方法)–可以使用

a.代码

public class A {
    //私有的构造方法
    private A(){}
    //私有的静态变量
    private  static A a;
    //对外的公有方法
    public synchronized static A getInstance(){
        if(a==null){
            a=new A();
        }
        return a;
    }
}

测试类和运行结果同上。

b.优点

通过synchronize关键字,解决了线程不安全的问题。如果两个线程同时调用getInstance方法时,那就先执行一个线程,另一个等待,等第一个线程运行结束了,另一个等待的开始执行。

c.缺点

这种方法是解决了线程不安全的问题,却给性能带来了很大的问题,效率太低了,getInstance经常发生,每一次都要同步这个方法。

我们想着既然是方法同步导致了性能的问题,我们核心的代码就是新建对象的过程,也就是new A();的过程,我们能不能只对部分代码进行同步呢?那就是方法5啦。

5.懒汉式(线程不安全)

a.代码

public class A {
    //私有的构造方法
    private A(){}
    //私有的静态变量
    private  static A a;
    public  static A getInstance(){
        if(a==null){
            synchronized (A.class){
                a=new A();
            }
        }
        return a;
    }
}

测试类和运行结果如上。

b.优点

懒汉式的通用优点,用到才创建,达到懒加载的效果。

c.缺点

这个没有意义,并没有解决多线程的问题。我们可以看到如果两个线程同时调用getInstance方法,并且都已经进入了if语句,即synchronized的位置,即便同步了,第一个线程先执行,进入synchronized同步的代码块,创建了对象,另一个进入等待状态,等第一个线程执行结束,第二个线程还是会进入synchronized同步的代码块,创建对象。这个时候我们可以发现,对这代码块加了synchronized没有任何意义,还是创建了多个对象,并不符合单例。

6.双重检查 –强烈推荐使用

a.代码

public class A {
    //私有的构造方法
    private A() {
    }

    //私有的静态变量
    private volatile static A a;

    //对外的公有方法
    public static A getInstance() {
        if (a == null) {
            synchronized (A.class) {
                if (a == null) {
                    a = new A();
                }
            }
        }
        return a;
    }
}

测试类和运行结果同上。

b.优点

强烈推荐使用,这种写法既避免了在多线程中出现线程不安全的情况,也能提高性能。咱具体来说,如果两个线程同时调用了getInstance方法,并且都已到达了if语句之后,synchronized语句之前,此时第一个线程进入synchronized之中,先判断是否为空,很显然第一次肯定为空,那么则新建了对象。等到第二个线程进入synchronized之中,先判断是否为空,显然第一个已经创建了,所以即不新建对象。下次,不管是一个线程或者多个线程,在第一个if语句那就判断出有对象了,便直接返回啦,根本进不了里面的代码。

c.缺点

就是这么完美,没有缺点,哈哈哈。

万字总结之单例模式

c.volatile(插曲)


咱先来看一个概念重排序,也就是语句的执行顺序会被重新安排。其主要分为三种:

1.编译器优化的重排序:可以重新安排语句的执行顺序。

2.指令级并行的重排序:现代处理器采用指令级并行技术,将多条指令重叠执行。

3.内存系统的重排序:由于处理器使用缓存和读写缓冲区,所以看上去可能是乱序的。

上面代码中的a = new A();可能被被JVM分解成如下代码:

// 可以分解为以下三个步骤
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址
// 上述三个步骤可能会被重排序为 1-3-2,也就是:
1 memory=allocate();// 分配内存 相当于c的malloc
3 s=memory //设置s指向刚分配的地址
2 ctorInstanc(memory) //初始化对象

一旦假设发生了这样的重排序,比如线程A在执行了步骤1和步骤3,但是步骤2还没有执行完。这个时候线程B有进入了第一个if语句,它会判断a不为空,即直接返回了a。其实这是一个未初始化完成的a,即会出现问题。

所以我们会将入volatile关键字,来禁止这样的重排序,即可正常运行。

7.静态内部类 –强烈推荐使用

a.代码

public class A {
    //私有构造函数
    private A() {
    }

    //私有的静态内部类
    private static class B {
        //私有的静态变量
        private static A a = new A();
    }

    //对外的公有方法
    public static A getInstance() {
        return B.a;
    }
}

b.优点

B在A装载的时候并不会装载,而是会在调用getInstance的时候装载,这利用了JVM的装载机制。这样一来,优点有两点,其一就是没有A加载的时候,就装载了a对象,而是在调用的时候才装载,避免了资源的浪费。其二是多线程状态下,没有线程安全性的问题。

c.缺点

没有缺点,太完美啦。

8.枚举 –Java粑粑强烈推荐使用

问题1:私有构造器并不安全

如果不明白反射,可以查看我之前的文章,传送门,万字总结之反射(框架之魂)。如果我们的对象是通过反射方法invoke出来,这样新建的对象与通过调用getInstance新建的对象是不一样的,具体咱来看代码。

public class test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        A a=A.getInstance();
        A b=A.getInstance();
        System.out.println("a的hash:"+a.hashCode()+",b的hash:"+b.hashCode());

        Constructor<A> constructor=A.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
        A c=constructor.newInstance();
        System.out.println("a的hash:"+a.hashCode()+",c的hash:"+c.hashCode());

    }
}

我们来看下运行结果:

万字总结之单例模式

我们可以看到c的hashcode是和a,b不一样,因为c是通过构造器反射出来的,由此可以证明私有构造器所组成的单例模式并不是十分安全的。

问题2:序列化问题

我们先将A类实现一个Serializable接口,具体代码如下,跟之前的双重if检查一样,只是多了个接口。

public class A implements Serializable {
    //私有的构造方法
    private A() {
    }

    //私有的静态变量
    private volatile static A a;

    //对外的公有方法
    public static A getInstance() {
        if (a == null) {
            synchronized (A.class) {
                if (a == null) {
                    a = new A();
                }
            }
        }
        return a;
    }
}

测试类:

public class test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        A s = A.getInstance();

        //写
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("学习Java的小姐姐"));
        oos.writeObject(s);
        oos.flush();
        oos.close();
        //读
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("学习Java的小姐姐"));
        A s1 = (A)ois.readObject();
        ois.close();

        System.out.println(s+"\n"+s1);
        System.out.println("序列化前后两个是否同一个:"+(s==s1));
    }
}

我们来看下运行结果,很显然序列化前后两个对象并不相等。为什么会出现这种问题呢?这个讲起来,又可以写一篇文章了。简单来说,任何一个readObject方法,不管是显式的还是默认的,它都会返回一个新建的实例,这个新建的实例不同于该类初始化时创建的实例。

万字总结之单例模式

引出枚举

public enum A {
  a;
  public A getInstance(){
      return a;
  }
}

看着代码量很少,我们将其编译下,代码如下:

public final class  A extends Enum< A> {    
    public static final  A a;    
    public static  A[] values();   
    public static  AvalueOf(String s);  
    static {};
}

如何解决问题1?

public class test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        A a1 = A.a;
        A a2 = A.a;
        System.out.println("正常情况下,实例化两个实例是否相同:" + (a1 == a2));

        Constructor<A> constructor = null;
        constructor = A.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
        A a3 = null;
        a3 = constructor.newInstance();
        System.out.println("a1的hash:" + a1.hashCode() + ",a2的hash:" + a2.hashCode() + ",a3的hash:" + a3.hashCode());
        System.out.println("通过反射攻击单例模式情况下,实例化两个实例是否相同:" + (a1 == a3));
    }
}

运行结果:

万字总结之单例模式

我们看到报错了,是在寻找构造函数的时候报错的,即没有无参的构造方法,那我们看下他继承的父类ENUM有没有构造函数,看下源码,发现有个两个参数String和int类型的构造方法,我们再看下是不是构造方法的问题。

万字总结之单例模式

我们再用父类的有参构造方法试下,代码如下:

public class test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        A a1 = A.a;
        A a2 = A.a;
        System.out.println("正常情况下,实例化两个实例是否相同:" + (a1 == a2));
        Constructor<A> constructor = null;
        constructor = A.class.getDeclaredConstructor(String.class,int.class);//其父类的构造器
        constructor.setAccessible(true);
        A a3 = null;
        a3 = constructor.newInstance("学习Java的小姐姐",1);
        System.out.println("a1的hash:" + a1.hashCode() + ",a2的hash:" + a2.hashCode() + ",a3的hash:" + a3.hashCode());
        System.out.println("通过反射攻击单例模式情况下,实例化两个实例是否相同:" + (a1 == a3));
    }
}

运行结果如下:

万字总结之单例模式

我们发现报错信息的位置已经换了,现在是已经有构造方法,而是在newInstance方法的时候报错了,我们跟下源码发现,人家已经明确写明了如果是枚举类型,直接抛出异常,代码如下,所以是无法使用反射来操作枚举类型的数据的。

万字总结之单例模式

如何解决问题2?

public class test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        A s = A.a;

        //写
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("学习Java的小姐姐"));
        oos.writeObject(s);
        oos.flush();
        oos.close();
        //读
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("学习Java的小姐姐"));
        A s1 = (A)ois.readObject();
        ois.close();

        System.out.println(s+"\n"+s1);
        System.out.println("序列化前后两个是否同一个:"+(s==s1));
    }
}

运行结果;

万字总结之单例模式

优点

避免了反射带来的对象不一致问题和反序列问题,简单来说,就是简单高效没问题。

结语

看到这里的都是真爱的,在这里先谢谢各位大佬啦。

单例模式是最简单的一种设计模式,主要包括八种形式,分别是饿汉式静态变量,饿汉式静态代码块,懒汉式线程不安全,懒汉式线程安全,懒汉式线程不安全(没啥意义),懒汉式双重否定线程安全,内部静态类,枚举类型。

这几种最优的是枚举类型和内部静态类,其次是懒汉式双重否定,剩下的都差不多啦。

如果有说的不对的地方,还请各位指正,我继续学习去。

原文出处:微信公众号【学习Java的小姐姐】,作者【学习Java的小姐姐0618】

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/G1_iMAGEUixOMmMtiP2bjQ

本文观点不代表Dotnet9立场,转载请联系原作者。

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