02、单例模式--SingleTon

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TigerChain
2017.11.04 13:35* 字数 3896
单例模式大纲

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本文出自 TigerChain 简书 人人都会设计模式

教程简介

  • 1、阅读对象
    本篇教程适合新手阅读,老手直接略过
  • 2、教程难度
    初级,本人水平有限,文章内容难免会出现问题,如果有问题欢迎指出,谢谢
  • 3、Demo 地址
    https://github.com/githubchen001/DesignPattern 请看 SingleTon 部分

正文

一、什么是单例模式

1、 生活中的单例

一个男人只能有一个媳妇「正常情况」,一个人只能有一张嘴,通常一个公司只有一个 CEO ,一个狼群中只有一个狼王等等

2、程序中的单例

一句话,就是保证一个类仅有一个实例即可「new 一次」,其实好多人都不把单例当作成一个设计模式,只是当作是一个工具类而已,因为它的确很简单,并且当你面视的时候面视官问你设计模式的时候估计都会说:可以说说你了解的设计模式吗「单例除外」。虽然很简单,但是我们还是要掌握和了解它,并且要深层次的了解它

单例模式的定义

单例单例就是单一的实例,单例模式就保证一个类仅有一个实例,并且提供一个可以仿问的全局方法可以访问它

单例模式的应用

  • 网站的计数器
  • 应用配置
  • 多线程池一般也采用单例去设计
  • 数据库配置,数据库连接池
  • 其它等等

单例的特点

  • 不能被外部实例化,只能自己内部实例化自己
  • 单例生成的对象是独一无二的「节省资源」

单例模式的结构

角色 类别 说明
Singleton 单例类 就是一个普通的类
getInstance() 一个静态方法 提供类的实例

单例模式的 UML

单例模式

从上图我们可以了解到编写一个单例的基本步骤「我称之为三步法」

  • 1、成员变量静态化
  • 2、构造方法私有化
  • 3、实例方法静态化

简单的代码结构就是

class SingleTon{
    private static SingleTon instance ;
    private SingleTon(){}
    public static SingleTon getInstance(){
        if(null == instance){
            instance = new SingleTon();
        }
        return instance ;
    }
}

在实际开发中,我们按照以上三步法就可以创建出一个单例来「直接用方法套用即可」

二、单例模式举例

单例模式举例

比如在一个狼群当中,只有一个狼王,有若干侦察狼、捕猎狼等等,这样就组成了一个狼群,下面看简单的 java 代码「代码只是用来演示单例模式,参考即可」

先看看狼王单例简单的 UML

狼王单例

根据 UML 编码

  • 1、定义一个狼的接口,比如这里是下达任务
public interface IWolf {
    void doSomting() ;
}
  • 2、定义一个侦察狼,它是放哨和探路的
/**
 * 侦察狼
 */
public class ZhenChaLang implements IWolf {

    @Override
    public void doSomting() {
        // 执行狼王交行的任务
        System.out.println(" 去探路");
    }

    public void fangShao(){
        System.out.println(" 去放哨");
    }
}
  • 3、定义一个捕猎狼,猎羊
/**
 * 捕猎狼
 */
public class BuLieLang implements IWolf {
    @Override
    public void doSomting() {
        System.out.println(" 去猎羊");
    }
}

  • 4、主角狼王上场,统一安排规划
/**
 * 狼王
 */
public class LangWang implements IWolf {

    private static LangWang langWang ;
    private  LangWang(){
        System.out.println("狼王产生了--构造方法被调用");
    }
    public static LangWang getLangWang(){
        if(null == langWang){
            langWang = new LangWang() ;
        }
        System.out.println("狼王对应的地址:"+langWang.toString());
        return langWang ;
    }

    public static void main(String args[]){
        LangWang.getLangWang().doSomting();
        LangWang.getLangWang().buLie();
    }

    @Override
    public void doSomting() {
        // 安排一些工作给下属狼 比如侦查狼
        ZhenChaLang zhenChaLang1 = new ZhenChaLang() ;
        System.out.print("侦察狼 "+zhenChaLang1.toString());
        zhenChaLang1.doSomting();

        ZhenChaLang zhenChaLang2 = new ZhenChaLang();
        System.out.print("侦察狼 "+zhenChaLang2.toString());
        zhenChaLang2.fangShao();
    }
    
    public void buLie(){
        BuLieLang buLieLang1 = new BuLieLang() ;
        System.out.print("捕猎狼 "+buLieLang1.toString());
        buLieLang1.doSomting();

        BuLieLang buLieLang2 = new BuLieLang() ;
        System.out.print("捕猎狼 "+buLieLang2.toString());
        buLieLang1.doSomting();
    }
}

我们可以看到狼王是一个单例的「一个狼群确实只有一个狼王」,下面我们来验证一下结果

狼王单例分析

我们可以看到,虽然我们调用了两次狼王实例方法确实都是同一个狼王「地址是一样的」,而侦查狼和捕猎狼分别是不同的狼,这就是一个单例的使用,各自体会一下。

上面狼王的例子中我们使用的是非线程安全的懒汉式单例模式,单例模式有好几种实现方式,下面我们来说说这几种实现方式

单例模式的几种实现方式

1、饿汉式

饿汉式单例模式如其名,是一个饿货,类的实例在类加载的时候就初始化出来「把这一过程当作一个汉堡,也就是说必须要把汉堡提前准备好,饿货就知道吃」

特点
  • 1、是线程安全的
  • 2、类不是延时加载「直接是类加载的时候就初始化」
优缺点
  • 优点:没有加锁,执行效率非常高「其实是以空间来换时间」
  • 缺点:在类加载的时候就会初始化,浪费内存「你知道我要不要使用这个实例吗,你就给我初始化,太任性了」
演示代码
public class SingleTon{
    // 1、成员变量静态化  饿汉式直接在类加载的时候就初始化实例
    private static SingleTon instance = new SingleTon();
    // 2、构造方法私有化
    private SingleTon(){}
    // 3、实例公有方法静态化
    public static SingleTon getInstance(){
        return instance ;
    }
}

2、懒汉式线程不安全

懒汉式单例模式,是在我需要的时候才去初始化实例,也就是说在类加载的时候,静态成员变量是 null 的,只有需要它的时候才去初始化实例,所以懒汉式可以延时加载

特点
  • 1、线程不安全
  • 2、延时初始化类,在我需要的时候「也就调用 getInstance」的时候才去初始化
优缺点
  • 1、优点:延时初始化类,省资源,不想用的时候就不会浪费内存
  • 2、缺点:线程不安全,多线程操作就会有问题
演示代码
public class SingleTon{
    // 1、类变量静态化 类加载的时候是空的,所以不开辟内存
    private static SingleTon instance = null ;
    // 2、构造方法私有化,这没什么好说的
    private SingleTon(){}
    // 3、实例方法公有并且静态化
    public static SingleTon getInstance(){
        if(null == instance){ 
            instance = new SingleTon() ;
        }
    }
    return instance ;
}

3、懒汉式线程安全

懒汉式线程安全比懒汉式线程不安全多了一个线程安全

特点
  • 1、线程安全
  • 2、延时初始化类,在我需要的时候「也就调用 getInstance」的时候才去初始化化
优缺点
  • 1、优点:延时初始化类,省资源,不想用的时候就不会浪费内存,并且线程安全
  • 2、缺点:虽然线程安全,但是加了锁对性能影响非常大「相当于排队获取资源,没有拿到锁子就干等」
演示代码
public class SingleTon{

    private static SingleTon instance ;
    private SingleTon(){}
    // 在这里加一个同步锁,这样就保证线程安全了
    public static synchronized SingleTon getInstance(){
        if(null == instalce){
            instance = new SingleTon() ;
        }
        return instance ;
    }
}

4、DCL「双重检查锁:double-checked locking」 单例

如其名,双检锁,这种方式单例模式在多线程的情况下能提高性能

特点
  • 1、线程安全
  • 2、延时初始化类,在我需要的时候「也就调用 getInstance」的时候才去初始化化
优缺点
  • 1、优点:延时初始化类,省资源,不想用的时候就不会浪费内存,并且线程安全,双重加锁,多线程仿问性能达到提升「后面详细说 WHY」
  • 2、缺点:虽然线程安全,但是双检锁会遇到指令重排的问题,导致多线程下失效「后面会说」
演示代码

public class DCLSingleTon {

    /**1、成员变量静态化**/
    private static DCLSingleTon instance ;
    /**2、构造方法私有化*/
    private DCLSingleTon(){}
    /**3、实例方法静态化**/
    public static DCLSingleTon getInstance(){
        if(null == instance){ //第一次检查
            synchronized (DCLSingleTon.class){ //加锁
                if(null == instance){ // 第二次检查
                    instance = new DCLSingleTon() ;
                }
            }
        }
        return instance ;
    }
}

双检锁性能提高

那么这种方式,如何保证线程并且有很好的性能呢,首先安全安全不说了看到 synchronized 关键字我们就知道了,这里说一下为什么说性能比 3 中的提高了呢

我们知道线程安全性能主要是出在 synchronized 锁上,我们只要能保证锁最小化调用即可

从上面代码可以看出,只有第一次当 instance 为空的时候,才会去调用 synchronized 中的方法,以后就直接返回 synchronized 实例了,也就说 synchronized 只调用一次,所以在多线程上性能会大大的提升

指令重排引起 DCL 问题

这样做看起来很不错,解决了多线程问题并延时加载,并且同步一次性能有了不错的提升,但是这样做仍然会有问题,这和 Java 的内存模型有关「这种内存模型可以让处理器大大的提高执行效率」

如果再深入的说,就要说 JAVA 的内存模型了「这不在本节范围之内」,大家只要记住,Java 的指令重排会导致多线程问题「单线程不会受影响」,指令排序通俗的说就是代码执行顺序改变了,比如:以下一个简单的例子「下面代码只是为了说明问题,并不是真实情况下的代码」


class A{

    private static int a,b = 0 ;
    public static void main(String args[]){
        a = 1 ;
        b = 2 ;
        System.out.print("a = "+a+"b = "+b)
    }
}

如果按照正常情况下肯定结果是 a=1,b=2。但是如果指令排序多线程情况下就有可能会出现 a=0,b=2 ,也就是 a = 1 和 b =2 调用顺序反过来了「便于理解,实际比这个复杂多了」,这样就大概解释了指令重排,详细可以看看美团点评技术团队的Java内存访问重排序的研究 讲的还是非常好的

DCL 遇到指令重排出现问题分析

上面的问题要从 instance = new SingleTon() 这句初始化开始「由于这是很多条指令,JVM 可能会指令重排,也叫乱序执行」,这个过程分成三个步骤

  • 1、给 instance 分配内存
  • 2、然后调用 SingleTon 的构造方法初始化成员变量
  • 3、把 instance 对象指向分配的内存空间(到这一步,那么 instance 肯定就是非空的)
问题:

如果按照 1 2 3 执行顺序那么也就存在什么问题,可是实际情况是 2 3 执行顺序是不确定的「指令重排序」,这时结果就会成 1 3 2 ,那么问题来了,假如按后者来说,3 刚执行完毕,2 还没有开始之前,突然被另外一个线程2抢占了,此时 instance 已经非空的「但是却没有初始化」,那么线程2会直接返回 instance 去使用,结果就是挂了

DCL 单例多线程问题分析

好了,既然找到了问题,那么解决办法有以下两种

  • 1、不让 2 3 步骤发生指令排序
  • 2、让保证初始化 intance 时只有一个线程来操作「就是单线程操作,单线程不会存在排序问题」
解决方案一:不发生指令排序

使用 volatile 关键字「Java 5 之后 volatile 就可以禁止对指令重新排序 」,就可以指令不发生重排,修改代码

public class DCLSingleTon {

    /**1、成员变量静态化**/
    private volatile static DCLSingleTon instance ;
    /**2、构造方法私有化*/
    private DCLSingleTon(){}
    /**3、实例方法静态化**/
    public static DCLSingleTon getInstance(){
        if(null == instance){ //第一次检查
            synchronized (DCLSingleTon.class){ //加锁
                if(null == instance){ // 第二次检查
                    instance = new DCLSingleTon() ;
                }
            }
        }
        return instance ;
    }
}

当然了,Java 5 之后才能完美的使用 volatile ,那么之前如何解决 DCL 安全问题呢?可以使用 Thread Local ,临时变量等具体可以看关于 DCL 的讲解以及改善 双重锁定被破坏声明 说的非常的好

解决方案二:静态内存部类 其实就是我们要说的第 5 种单例模式

利用 classloder 的机制来保证初始化 instance 时只有一个线程。JVM 在类初始化阶段会获取一个锁,这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化

修改代码

public class DCLSingleTon {

    private DCLSingleTon(){}
    static class SingleTonHolder{
     private static final DCLSingleTon instance = new DCLSingleTon() ;
    }

    public static DCLSingleTon getInstance(){
        return SingleTonHolder.instance ;
    }

}

5、静态内部类单例模式

静态内部类可以允许指令重排,但是对别的线程是不可见的,那么就想当于单线程指令重排对结果是没有影响的「这是内存模型的特点」,我们来看一下单线程的执行行时序图,我们来看 SingleTon instence = new SingleTon() 这一过程

线程执行时序图

所以静态内存类单例,你就可以理解成一个线程把上述过程做完了,所以别的线程看不见,所以不会出现时间排序的问题

只要保证 2 在 4 的前面,那么 2 3 是否重排,对结果都是没有影响的「在单线程的情况下」

特点
  • 1、线程安全
  • 2、延时初始化类,在我需要的时候「也就调用 getInstance」的时候才去初始化化
优缺点
  • 1、优点:延时初始化类,省资源,不想用的时候就不会浪费内存,并且线程安全,还可以执行其它的静态方法
  • 2、缺点: --
演示代码
public class SingleTon {

   private SingleTon(){}

   static class SingleTonHolder{
     private static final DCLSingleTon instance = new DCLSingleTon() ;
    }

    public static SingleTon getInstance(){
        return SingleTonHolder.instance ;
    }

}
静态内部例单例分析

6、枚举类单例

枚举类单例模式是 《Effective Java》 作者极力推荐的单例的方法

特点

特点也就是检举类的特点,我们先看看枚举类的特点吧,多说无用,我们结合 java 代码来分析

// 一周的枚举,这里为了说明问题,只列举到周三
public enum EnumDemo {

  MONDAY,
  TUESDAY,
  WEDNESDAY ;

  public void donSomthing(){}
}

以上就是一个简单的枚举 Java 类,我们反编译来看一下它的实现机制是杂样的,在这里我使用 jad 来反编译「当然你也可以使用 javap 来反编译还能看到二进制」,以上 java 代码反编译出来的结果如下:

枚举类反编译

从以上反编译出来的代码图我们可以看出以下几点信息:

  • 1、枚举类类型是 final 的「不可以被继承」
  • 2、构造方法是私有的「也只能私有,不允许被外部实例化,符合单例」
  • 3、类变量是静态的
  • 4、没有延时初始化,随着类的初始化就初始化了「从上面静态代码块中可以看出」
  • 5、由 4 可以知道枚举也是线程安全的

以上就是枚举类的特点,很符合单例模式,并且集成上以上几种单例模式的优点

优缺点
  • 1、优点:除以上特点优点之外,枚举类还有两个优点:写法简单支持序列化和反序列化操作「以上的单例序列化和反序列化会破坏单例模式」并且反射也不能调用构造方法
  • 2、缺点: --
演示代码
public enum  EnumSingleTon {

    INSTACE; // 定义一个枚举原素,代表 EnumSingleTon 一个实例

    /**
     * 枚举中的构造方法只能写成 private 或是不写「不写默认就是 private」,所以枚举防止外部来实例化对象
     */
    EnumSingleTon(){}

    /**
     * 一些额外的方法
     */
    public void doSometing(){
        Log.e("枚举类单例","这是枚举单例中的方法") ;
    }

}

总结

一般情况下,不建议使用第 2 种和第 3 种懒汉式单例,建议使用第 1 种饿汉式单例,如果项目中明确要使用延时加载那么使用第 5 种静态内存类的单例,如果有序列化反序列化操作可以使用第 6 种单例模式,如果是其它需求可以使用第 4 种 DCL 单例

三、Android 中的单例模式

1、 InputMethodManager 类

InputMethodManager 就一个服务类「输入法类」源码目录 Androidsdk\sources\android-26\android\view\inputmethod,部分代码如下:

@SystemService(Context.INPUT_METHOD_SERVICE)
public final class InputMethodManager {
    // 省略若干行代码
    ...
  
    static InputMethodManager sInstance;

    // 省略若干行代码
    ...
    
    // 以下是构造方法,没有声明权限就是私有的
    InputMethodManager(Looper looper) throws ServiceNotFoundException {
        this(IInputMethodManager.Stub.asInterface(
                ServiceManager.getServiceOrThrow(Context.INPUT_METHOD_SERVICE)), looper);
    }

    // 以下是构造方法,没有声明权限就是私有的
    InputMethodManager(IInputMethodManager service, Looper looper) {
        mService = service;
        mMainLooper = looper;
        mH = new H(looper);
        mIInputContext = new ControlledInputConnectionWrapper(looper,
                mDummyInputConnection, this);
    }
    
    public static InputMethodManager getInstance() {
        synchronized (InputMethodManager.class) {
            if (sInstance == null) {
                try {
                    sInstance = new InputMethodManager(Looper.getMainLooper());
                } catch (ServiceNotFoundException e) {
                    throw new IllegalStateException(e);
                }
            }
            return sInstance;
        }
    }
    
    // 省略若干行代码
    ...
}

从上面代码可以看出,InputMethodManager 是一个典型的-- 线程安全的懒汉式单例

2、Editable 类

文件目录:frameworks/base/core/java/android/text/Editable.java 部分代码如下:

private static Editable.Factory sInstance = new Editable.Factory();  
  
/** 
 * Returns the standard Editable Factory. 
 */  
public static Editable.Factory getInstance() {  
    return sInstance;  
}  

可以看到非常典型的一个饿汉式单例模式

Android 源码中有非常多的单例模式的例子,这里就一一列举了,相信你看完上面的介绍绝对可以写出一个适合自己项目的单例了

到此为止,我们就把单例械说完了,动手试试吧,点赞是一种鼓励,是一种美德

参考资料:

人人都会设计模式
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