在所有的设计模式中,单例模式是我们在项目开发中最为常见的设计模式之一,而单例模式有很多种实现方式,你是否都了解呢?高并发下如何保证单例模式的线程安全性呢?如何保证序列化后的单例对象在反序列化后仍然是单例的呢?
单例模式定义
定义:确保一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。
基本原理:将构造函数私有化,并且通过静态方法或枚举获取一个唯一的实例对象,在这个获取的过程中必须保证线程安全、防止反序列化导致重新生成实例对象等问题。
适用场景:
- 需要频繁地进行创建和销毁的对象;
- 创建对象时耗时过多或耗费资源过多,但又经常用到的对象;
- 工具类对象;
- 频繁访问数据库或文件的对象。
通过单例类的构造函数私有化,使得客户端代码不能通过 new 的形式手动构造单例类的对象。单例类会暴露一个公有静态方法,客户端需要调用这个静态方法获取到单例类的唯一实例,在获取这个单例对象的过程中需要确保线程安全,即在多线程环境下构造单例类的对象也是有且只有一个,这也是单例模式实现中比较困难的地方。
饿汉式(静态常量)[可用]
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| public class Singleton { private final static Singleton instance = new Singleton(); private Singleton(){} public static Singleton getInstance(){ return instance; } }
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优点:这种写法比较简单,就是在类装载的时候就完成实例化,避免了线程同步问题。
缺点:在类装载的时候就完成实例化,没有达到Lazy Loading的效果,如果从始至终从未使用过这个实例,则会造成内存的浪费。
饿汉式(静态代码块)[可用]
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| public class Singleton { private static Singleton instance; static { instance = new Singleton(); } private Singleton() {} public Singleton getInstance() { return instance; } }
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这种方式和上面的方式其实类似,只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中,也是在类装载的时候,就执行静态代码块中的代码,初始化类的实例。
优点:在类装载的时候就完成实例化,避免了线程同步问题。
缺点:在类装载的时候就完成实例化,没有达到Lazy Loading的效果,如果从始至终从未使用过这个实例,则会造成内存的浪费。
懒汉式(线程不安全)[不可用]
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| public class Singleton { private static Singleton singleton; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } return singleton; } }
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懒汉式单例是指在方法调用获取实例时才创建实例,因为相对饿汉式显得“不那么急迫”,所以被叫做“懒汉模式”。这种写法虽然起到了 Lazy Loading 的效果,但是只能在单线程下使用。在多线程并发下这样的实现是无法保证实例是唯一的,甚至可以说这样的失效是完全错误的。比如,一个线程进入了 if (singleton == null) 判断语句块,还未来得及往下执行,另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种实现方式。
懒汉式(线程安全,同步方法)[不推荐用]
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| public class Singleton { private static Singleton singleton; private Singleton() {} public static synchronized Singleton getInstance() { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } return singleton; } }
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解决上面第三种实现方式的线程不安全问题,做个线程同步就可以了,于是就对 getInstance() 方法进行了线程同步。
缺点:效率太低了,每个线程在想获得类的实例的时候,执行 getInstance() 方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了,后面的想获得该类实例,直接 return 就行了,方法进行同步效率太低需要改进。
懒汉式(线程安全,同步代码块)[不可用]
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| public class Singleton { private static Singleton singleton; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class) { singleton = new Singleton(); } } return singleton; } }
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由于第四种实现方式同步效率太低,所以摒弃同步方法,改为同步产生实例化的的代码块。但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第三种实现方式遇到的情形一致,假如一个线程进入了 if (singleton == null) 判断语句块,还未来得及往下执行,另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例。
双重检查(线程安全)[推荐用]
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| public class Singleton { private static volatile Singleton singleton; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (singleton == null) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; } }
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Double-Check-Locking DCL 双检查锁机制对于多线程开发者来说不会陌生,如代码中所示,我们进行了两次 if (singleton == null) 检查,这样就可以保证线程安全了。这样,实例化代码只会执行一次,后面再次访问时,判断 if (singleton == null) ,直接 return 实例化对象。
优点:线程安全、延迟加载、效率较高。
静态内部类(线程安全)[推荐用]
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| public class Singleton { private Singleton() {} private static class SingletonInstance { private static final Singleton singleton = new Singleton(); } public static Singleton getInstance() { return SingletonInstance.singleton; } }
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这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似,但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要 Singleton 类被装载就会实例化,没有 Lazy-Loading 的作用,而静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化,而是在需要实例化时,调用 getInstance 方法,才会装载 SingletonInstance 类,从而完成 Singleton 的实例化。
类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,所以在这里,JVM 帮助我们保证了线程的安全性,在类进行初始化时,别的线程是无法进入的。
优点:避免了线程不安全,延迟加载,效率高。
序列化与反序列化(线程安全)[推荐用]
静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性,但是在遇到序列化对象时,默认的方式运行得到的结果却是多例的。
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| import java.io.ObjectStreamException; import java.io.Serializable; public class Singleton implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; private static class SingletonInstance{ private static Singleton instance = new Singleton(); } private Singleton(){} public static Singleton getInstance() { return SingletonInstance.instance; } protected Object readResolve() throws ObjectStreamException { return SingletonInstance.instance; } }
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添加 readResolve 方法后,反序列化得到的实例和序列化前的实例是同一个实例,单个实例得到了保证。
枚举(线程安全)[推荐]
枚举 enum 和静态代码块的特性相似,在使用枚举时,构造方法会被自动调用,利用这一特性也可以实现单例。
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| public enum EnumFactory{ singletonFactory; private Singleton instance; private EnumFactory(){ instance = new Singleton(); } public Singleton getInstance(){ return instance; } } class Singleton{ public Singleton(){} }
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这样写单例虽然得到了保证,但是枚举类具体实现被完全暴露了,下面是内部枚举类的实现。
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| public class ClassFactory{ private enum EnumSingleton{ singletonFactory; private Singleton instance; private EnumSingleton(){ instance = new Singleton(); } public Singleton getInstance(){ return instance; } } public static Singleton getInstance(){ return EnumSingleton.singletonFactory.getInstance(); } } class Singleton{ public Singleton(){} }
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总结
单例模式是运用频率很高的模式,但是,由于在客户端通常没有高并发的情况,因此,选择哪种实现方式并不会有太大的影响。即便如此,出于效率考虑,推荐使用双检查锁机制和静态内部类实现的方式。
优点:
- 由于单例模式在内存中只有一个实例,减少了内存开支,特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时,而且创建或销毁时性能又无法优化,单例模式的优势就非常明显。
- 由于单例模式只生成一个实例,所以,减少了系统的性能开销,当一个对象的产生需要比较多的资源时,如读取配置、产生其他依赖对象时,则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象,然后用永久驻留内存的方式来解决。
- 单例模式可以避免对资源的多重占用,例如一个写文件操作,由于只有一个实例存在内存中,避免对同一个资源文件的同时写操作。
- 单例模式可以在系统设置全局的访问点,优化和共享资源访问,例如,可以设计一个单例类,负责所有数据表的映射处理。
缺点:
- 单例模式一般没有接口,扩展很困难,若要扩展,除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。
- 单例对象如果持有 Context,那么很容易引发内存泄漏,此时需要注意传递给单例对象的 Context 最好是 Application Context。