單例模式詳解

　　一。問題引入

　　偶然想想到的如果把Java的構(gòu)造方法弄成private，那里面的成員屬性是不是只有通過static來訪問呢；如果構(gòu)造方法是private的話，那么有什么好處呢；如果構(gòu)造方法是private的話，會(huì)不更好的封裝該內(nèi)呢？我主要是應(yīng)用在使用普通類模擬枚舉類型里，后來發(fā)現(xiàn)這就是傳說中的單例模式。構(gòu)造函數(shù)弄成private 就是單例模式，即不想讓別人用new 方法來創(chuàng)建多個(gè)對(duì)象，可以在類里面先生成一個(gè)對(duì)象，然后寫一個(gè)public static方法把這個(gè)對(duì)象return出去。（eg:public 類名 getInstancd（）{return 你剛剛生成的那個(gè)類對(duì)象;}），用static是因?yàn)槟愕臉?gòu)造函數(shù)是私有的，不能產(chǎn)生對(duì)象，所以只能用類名調(diào)用，所有只能是靜態(tài)函數(shù)。成員變量也可以寫getter/setter供外界訪問的。

　　第一個(gè)代碼不是單例模式，也就是說不一定只要構(gòu)造方法是private的就是單例模式。

　　class A（）{ privateA（）{} publicname; pulbic staticA creatInstance（）{ returnnewA（）; } } A a = A.createInstance（）; a.name; //name 屬性publicclasssingle{ privatestaticfinal single s=newsingle（）; privatesingle（）{ } publicstaticsingle getInstance（）{ returns; } }二。單例模式概念及特點(diǎn)

　　java中單例模式是一種常見的設(shè)計(jì)模式，單例模式分三種：懶漢式單例、餓漢式單例、登記式單例三種。

　　單例模式有一下特點(diǎn)：

　　1、單例類只能有一個(gè)實(shí)例。

　　2、單例類必須自己自己創(chuàng)建自己的唯一實(shí)例。

　　3、單例類必須給所有其他對(duì)象提供這一實(shí)例。

　　單例模式確保某個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，而且自行實(shí)例化并向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，線程池、緩存、日志對(duì)象、對(duì)話框、打印機(jī)、顯卡的驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο蟪１辉O(shè)計(jì)成單例。這些應(yīng)用都或多或少具有資源管理器的功能。每臺(tái)計(jì)算機(jī)可以有若干個(gè)打印機(jī)，但只能有一個(gè)Printer Spooler，以避免兩個(gè)打印作業(yè)同時(shí)輸出到打印機(jī)中。每臺(tái)計(jì)算機(jī)可以有若干通信端口，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)集中管理這些通信端口，以避免一個(gè)通信端口同時(shí)被兩個(gè)請(qǐng)求同時(shí)調(diào)用?？傊?，選擇單例模式就是為了避免不一致狀態(tài)，避免政出多頭。

　　正是由于這個(gè)特 點(diǎn)，單例對(duì)象通常作為程序中的存放配置信息的載體，因?yàn)樗鼙ＷC其他對(duì)象讀到一致的信息。例如在某個(gè)服務(wù)器程序中，該服務(wù)器的配置信息可能存放在數(shù)據(jù)庫(kù)或 文件中，這些配置數(shù)據(jù)由某個(gè)單例對(duì)象統(tǒng)一讀取，服務(wù)進(jìn)程中的其他對(duì)象如果要獲取這些配置信息，只需訪問該單例對(duì)象即可。這種方式極大地簡(jiǎn)化了在復(fù)雜環(huán)境 下，尤其是多線程環(huán)境下的配置管理，但是隨著應(yīng)用場(chǎng)景的不同，也可能帶來一些同步問題。

　　三。典型例題

　　首先看一個(gè)經(jīng)典的單例實(shí)現(xiàn)。

　　publicclassSingleton { privatestaticSingleton uniqueInstance = null; privateSingleton（） { // Exists only to defeat instantiation.} publicstaticSingleton getInstance（） { if（uniqueInstance == null） { uniqueInstance = newSingleton（）; } returnuniqueInstance; } // Other methods.。。}

　　Singleton通過將構(gòu)造方法限定為private避免了類在外部被實(shí)例化，在同一個(gè)虛擬機(jī)范圍內(nèi)，Singleton的唯一實(shí)例只能通過getInstance（）方法訪問。（事實(shí)上，通過Java反射機(jī)制是能夠?qū)嵗瘶?gòu)造方法為private的類的，那基本上會(huì)使所有的Java單例實(shí)現(xiàn)失效。此問題在此處不做討論，姑且掩耳盜鈴地認(rèn)為反射機(jī)制不存在。）

　　但是以上實(shí)現(xiàn)沒有考慮線程安全問題。所謂線程安全是指：如果你的代碼所在的進(jìn)程中有多個(gè)線程在同時(shí)運(yùn)行，而這些線程可能會(huì)同時(shí)運(yùn)行這段代碼。如果每次運(yùn)行結(jié)果和單線程運(yùn)行的結(jié)果是一樣的，而且其他的變量的值也和預(yù)期的是一樣的，就是線程安全的?；蛘哒f：一個(gè)類或者程序所提供的接口對(duì)于線程來說是原子操作或者多個(gè)線程之間的切換不會(huì)導(dǎo)致該接口的執(zhí)行結(jié)果存在二義性，也就是說我們不用考慮同步的問題。顯然以上實(shí)現(xiàn)并不滿足線程安全的要求，在并發(fā)環(huán)境下很可能出現(xiàn)多個(gè)Singleton實(shí)例。

　　/** * Java學(xué)習(xí)交流QQ群：589809992 我們一起學(xué)Java！ */publicclassTestStream{privateString name; publicString getName（） { returnname; }publicvoidsetName（String name） { this.name = name; } //該類只能有一個(gè)實(shí)例privateTestStream（）{} //私有無(wú)參構(gòu)造方法//該類必須自行創(chuàng)建//有2種方式/*private static final TestStream ts=new TestStream（）;*/privatestaticTestStream ts1= null; //這個(gè)類必須自動(dòng)向整個(gè)系統(tǒng)提供這個(gè)實(shí)例對(duì)象publicstaticTestStream getTest（）{ if（ts1== null）{ ts1=newTestStream（）; } returnts1; } publicvoidgetInfo（）{ System.out.println（ “output message ”+name）; } } publicclassTestMain { publicstaticvoidmain（String ［］ args）{ TestStream s=TestStream.getTest（）; s.setName（ “張孝祥”）; System. out.println（s.getName（））; TestStream s1=TestStream.getTest（）; s1.setName（ “張孝祥”）; System.out.println（s1.getName（））; s.getInfo（）; s1.getInfo（）; if（s==s1）{ System. out.println（ “創(chuàng)建的是同一個(gè)實(shí)例”）; } elseif（s！=s1）{ System. out.println（ “創(chuàng)建的不是同一個(gè)實(shí)例”）; } else{ System. out.println（ “application error”）; } } }

　　運(yùn)行結(jié)果：

　　張孝祥 張孝祥 output message張孝祥 output message張孝祥 創(chuàng)建的是同一個(gè)實(shí)例

　　結(jié)論：由結(jié)果可以得知單例模式為一個(gè)面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序提供了對(duì)象惟一的訪問點(diǎn)，不管它實(shí)現(xiàn)何種功能，整個(gè)應(yīng)用程序都會(huì)同享一個(gè)實(shí)例對(duì)象。

　　其次，下面是單例的三種實(shí)現(xiàn)。

　　1.餓漢式單例類

　　飛哥下面這個(gè)可以不加final，因?yàn)殪o態(tài)方法只在編譯期間執(zhí)行一次初始化，也就是只會(huì)有一個(gè)對(duì)象。

　　//餓漢式單例類。在類初始化時(shí)，已經(jīng)自行實(shí)例化 publicclassSingleton1 { //私有的默認(rèn)構(gòu)造子privateSingleton1（） {} //已經(jīng)自行實(shí)例化 privatestaticfinal Singleton1 single =newSingleton1（）; //靜態(tài)工廠方法 publicstaticSingleton1 getInstance（） { returnsingle; } }

　　2.懶漢式單例類

　　那個(gè)if判斷確保對(duì)象只創(chuàng)建一次。

　　//懶漢式單例類。在第一次調(diào)用的時(shí)候?qū)嵗?publicclassSingleton2 { //私有的默認(rèn)構(gòu)造子privateSingleton2（） {} //注意，這里沒有final privatestaticSingleton2 single= null; //靜態(tài)工廠方法 publicsynchronized staticSingleton2 getInstance（） { if（single == null） { single =newSingleton2（）; } returnsingle; } }

　　3.登記式單例類

　　import java.util.HashMap; import java.util.Map; //登記式單例類。 Java學(xué)習(xí)交流QQ群：589809992 我們一起學(xué)Java！//類似Spring里面的方法，將類名注冊(cè)，下次從里面直接獲取。publicclassSingleton3 { privatestaticMap《String，Singleton3》 map =newHashMap《String，Singleton3》（）; static{ Singleton3 single = newSingleton3（）; map.put（single.getClass（）.getName（）， single）; } //保護(hù)的默認(rèn)構(gòu)造子protectedSingleton3（）{}//靜態(tài)工廠方法，返還此類惟一的實(shí)例publicstaticSingleton3 getInstance（String name） {if（name == null） { name = Singleton3.class.getName（）; System. out.println（ “name == null”+ “---》name=”+name）; } if（map. get（name） == null） { try{ map.put（name， （Singleton3） Class.forName（name）.newInstance（））; } catch（InstantiationException e） { e.printStackTrace（）; } catch（IllegalAccessException e） { e.printStackTrace（）; }catch（ClassNotFoundException e） { e.printStackTrace（）; } } returnmap. get（name）; } //一個(gè)示意性的商業(yè)方法publicString about（） { return“Hello， I am RegSingleton.”; }publicstaticvoidmain（String［］ args） { Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance（ null）; System. out.println（single3.about（））; } }四。單例對(duì)象作配置信息管理時(shí)可能會(huì)帶來的幾個(gè)同步問題

　　1.在多線程環(huán)境下，單例對(duì)象的同步問題主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，單例對(duì)象的初始化和單例對(duì)象的屬性更新。

　　本文描述的方法有如下假設(shè)：

　　a. 單例對(duì)象的屬性（或成員變量）的獲取，是通過單例對(duì)象的初始化實(shí)現(xiàn)的。也就是說，在單例對(duì)象初始化時(shí)，會(huì)從文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取最新的配置信息。

　　b. 其他對(duì)象不能直接改變單例對(duì)象的屬性，單例對(duì)象屬性的變化來源于配置文件或配置數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的變化。

　　1.1單例對(duì)象的初始化

　　首先，討論一下單例對(duì)象的初始化同步。單例模式的通常處理方式是，在對(duì)象中有一個(gè)靜態(tài)成員變量，其類型就是單例類型本身；如果該變量為null，則創(chuàng)建該單例類型的對(duì)象，并將該變量指向這個(gè)對(duì)象；如果該變量不為null，則直接使用該變量。

　　這種處理方式在單線程的模式下可以很好的運(yùn)行；但是在多線程模式下，可能產(chǎn)生問題。如果第一個(gè)線程發(fā)現(xiàn)成員變量為null，準(zhǔn)備創(chuàng)建對(duì)象；這是第二 個(gè)線程同時(shí)也發(fā)現(xiàn)成員變量為null，也會(huì)創(chuàng)建新對(duì)象。這就會(huì)造成在一個(gè)JVM中有多個(gè)單例類型的實(shí)例。如果這個(gè)單例類型的成員變量在運(yùn)行過程中變化，會(huì) 造成多個(gè)單例類型實(shí)例的不一致，產(chǎn)生一些很奇怪的現(xiàn)象。例如，某服務(wù)進(jìn)程通過檢查單例對(duì)象的某個(gè)屬性來停止多個(gè)線程服務(wù)，如果存在多個(gè)單例對(duì)象的實(shí)例，就 會(huì)造成部分線程服務(wù)停止，部分線程服務(wù)不能停止的情況。

　　1.2單例對(duì)象的屬性更新

　　通常，為了實(shí)現(xiàn)配置信息的實(shí)時(shí)更新，會(huì)有一個(gè)線程不停檢測(cè)配置文件或配置數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容，一旦發(fā)現(xiàn)變化，就更新到單例對(duì)象的屬性中。在更新這些信 息的時(shí)候，很可能還會(huì)有其他線程正在讀取這些信息，造成意想不到的后果。還是以通過單例對(duì)象屬性停止線程服務(wù)為例，如果更新屬性時(shí)讀寫不同步，可能訪問該 屬性時(shí)這個(gè)屬性正好為空（null），程序就會(huì)拋出異常。

　　下面是解決方法

　　//單例對(duì)象的初始化同步publicclassGlobalConfig { privatestaticGlobalConfig instance =null; privateVector properties = null; privateGlobalConfig（） { //Load configuration information from DB or file//Set values for properties} privatestaticsynchronizedvoidsyncInit（） { if（instance == null） { instance = newGlobalConfig（）; } }publicstaticGlobalConfig getInstance（） { if（instance == null） { syncInit（）; } returninstance; }publicVector getProperties（） { returnproperties; } }

　　這種處理方式雖然引入了同步代碼，但是因?yàn)檫@段同步代碼只會(huì)在最開始的時(shí)候執(zhí)行一次或多次，所以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能不會(huì)有影響。

　　單例對(duì)象的屬性更新同步。

　　參照讀者/寫者的處理方式，設(shè)置一個(gè)讀計(jì)數(shù)器，每次讀取配置信息前，將計(jì)數(shù)器加1，讀完后將計(jì)數(shù)器減1.只有在讀計(jì)數(shù)器為0時(shí)，才能更新數(shù)據(jù)，同時(shí)要阻塞所有讀屬性的調(diào)用。

　　代碼如下：

　　/** * Java學(xué)習(xí)交流QQ群：589809992 我們一起學(xué)Java！ */publicclassGlobalConfig{privatestaticGlobalConfig instance; privateVector properties =null; privatebooleanisUpdating = false; privateintreadCount = 0; privateGlobalConfig（） {//Load configuration information from DB or file//Set values for properties}privatestaticsynchronizedvoidsyncInit（） { if（instance == null） { instance =newGlobalConfig（）; } } publicstaticGlobalConfig getInstance（） { if（instance== null） { syncInit（）; } returninstance; } publicsynchronizedvoidupdate（String p_data） { syncUpdateIn（）; //Update properties} privatesynchronizedvoidsyncUpdateIn（） {while（readCount 》 0） { try{ wait（）; } catch（Exception e） { } } }privatesynchronizedvoidsyncReadIn（） { readCount++; }privatesynchronizedvoidsyncReadOut（） { readCount--; notifyAll（）; } publicVectorgetProperties（） { syncReadIn（）; //Process datasyncReadOut（）; returnproperties; } }

　　采用”影子實(shí)例”的辦法具體說，就是在更新屬性時(shí)，直接生成另一個(gè)單例對(duì)象實(shí)例，這個(gè)新生成的單例對(duì)象實(shí)例將從數(shù)據(jù)庫(kù)或文件中讀取最新的配置信息；然后將這些配置信息直接賦值給舊單例對(duì)象的屬性。

　　publicclassGlobalConfig { privatestaticGlobalConfig instance = null; privateVector properties = null; privateGlobalConfig（） { //Load configuration information from DB or file//Set values for properties} privatestaticsynchronized voidsyncInit（） { if（instance = null） { instance = newGlobalConfig（）; } } publicstaticGlobalConfig getInstance（） { if（instance =null） { syncInit（）; } returninstance; } publicVector getProperties（） { returnproperties; }publicvoidupdateProperties（） { //Load updated configuration information by new a GlobalConfig objectGlobalConfig shadow = newGlobalConfig（）; properties = shadow.getProperties（）; } }

　　注意：在更新方法中，通過生成新的GlobalConfig的實(shí)例，從文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中得到最新配置信息，并存放到properties屬性中。上面兩個(gè)方法比較起來，第二個(gè)方法更好，首先，編程更簡(jiǎn)單；其次，沒有那么多的同步操作，對(duì)性能的影響也不大。