JAVA高并发——单例模式和不变模式

由于并行程序设计比串行程序设计复杂得多，因此我强烈建议大家了解一些常见的设计方法。就好像练习武术，一招一式都是要经过学习的。如果自己胡乱打，效果不见得好。前人会总结一些武术套路，对于初学者来说，不需要发挥自己的想象力，只要按照武术套路出拳就可以了。等练到了一定的程度，就不必拘泥于套路了。这些武术套路和招数，对应到软件开发中就是设计模式。在这里，我将重点向大家介绍一些并行模式与算法。这些都是前人的经验总结，大家可以在熟知其思想和原理的基础上，再根据自己的需求进行扩展，可能会达到更好的效果。

1、探讨单例模式

单例模式是设计模式中使用最普遍的模式之一。它是一种对象创建模式，用于产生一个对象的具体实例，它可以确保系统中一个类只产生一个实例。在Java中，这样的行为能带来两大好处：

• (1)对于频繁使用的对象，可以省略new操作花费的时间，这对于那些重量级对象而言，是非常可观的一笔系统开销。
• (2)由于new操作的次数减少，对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻GC的压力，缩短GC停顿时间。

严格来说，单例模式与并行模式没有直接的关系。讨论这个模式，是因为它实在是太常见了，我们不可避免地会在多线程环境中使用它们。并且，系统中使用单例的地方可能非常多，因此我们非常迫切地需要一种高效的单例实现。

下面给出了一个单例的实现，这个实现是非常简单的，是一个正确并且良好的实现：

使用以上方式创建单例时有几点必须特别注意。因为我们要保证系统中不会有人意外创建多余的实例，所以我们把Singleton的构造函数设置为私有的。这非常重要，这就警告所有的开发人员，不能随便创建这个类的实例，从而有效避免该类被错误创建。

首先，instance必须是私有的并且静态的。如果不是私有的，那么instance的安全性无法得到保证。一个小小的意外就可能使得instance变成null。其次，因为工厂方法getInstance()必须是静态的，所以对应的instance也必须是静态的。

这个单例的性能是非常好的，由于getInstance()方法只是简单地返回instance，并没有任何锁操作，因此它在并行程序中会有良好的表现。

这种方式有一个明显不足，就是Singleton构造函数或者说Singleton实例在什么时候创建是不受控制的。对于静态成员instance，它会在类第一次初始化的时刻被创建。这个时刻并不一定是getInstance()方法第一次被调用的时刻。

比如，如果你的单例是这样的：

注意，这个单例还包含一个表示状态的静态成员STATUS。此时，在任何地方引用这个STATUS都会导致instance被创建（任何对Singleton方法或者字段的引用，都会导致类初始化，并创建instance，但是类初始化只有一次，因此instance永远只会被创建一次），比如：

上述方法会打印出：

可以看到，即使系统没有要求创建单例，new Singleton()方法也会被调用。

如果大家觉得这个小小的不足并不重要，那么这种单例模式也是一种不错的选择。它容易实现、代码易读而且性能优越。

如果你想精确控制instance的创建时间，那么这种方式就不太友善了。我们需要寻找一种新的方法、一种支持延迟加载的策略，它只会在instance第一次使用时创建对象，具体实现如下：

这个LazySingleton的核心思想是：最初我们并不需要实例化instance，而是当getInstance()方法被第一次调用时，创建单例对象。为了防止对象被多次创建，我们不得不使用synchronized关键字进行方法同步。这种实现的好处是，充分利用了延迟加载，只在真正需要时创建对象。但坏处也很明显，在并发环境下加锁，竞争激烈的场合对性能可能产生一定的影响。但总体上，这是一个非常易于理解和实现的方法。

上面介绍的两种单例实现可以说是各有千秋。有没有一种方法可以结合二者的优势呢？答案是肯定的。

上述代码实现了一个单例，并且同时拥有前两种方式的优点。首先getInstance()方法中没有锁，这使其在高并发环境下性能优越。其次，只有在getInstance()方法第一次被调用时，StaticSingleton的实例才会被创建。因为这种方法巧妙地使用了内部类和类的初始化方式。内部类SingletonHolder被声明为私有的，这使得我们不可能在外部访问并初始化它。而我们只可能在getInstance()方法内部对SingletonHolder类进行初始化，利用虚拟机的类初始化机制创建单例。

2、不变模式

在并行软件开发过程中，同步操作似乎是必不可少的。当多线程对同一个对象进行读写操作时，为了保证对象数据的一致性和正确性，有必要对对象进行同步，但是同步操作对系统性能有损耗。为了尽可能地去除这些同步操作、提高并行程序性能，可以使用一种不可改变的对象。依靠对象的不变性，可以确保其在没有同步操作的多线程环境中依然保持内部状态的一致性和正确性。这就是不变模式。

不变模式天生就是多线程友好的，它的核心思想是，一个对象一旦被创建，它的内部状态将永远不会发生改变。没有一个线程可以修改其内部状态和数据，同时其内部状态也绝不会自行发生改变。基于这些特性，对不变对象的多线程操作不需要进行同步控制。

同时需要注意，不变模式和只读属性是有一定的区别的。不变模式比只读属性具有更强的一致性和不变性。对只读属性的对象而言，对象本身不能被其他线程修改，但是对象的自身状态却可能自行修改。

比如，一个对象的存活时间（对象创建时间和当前时间的时间差）是只读的，任何一个第三方线程都不能修改这个属性，但是这是一个可变的属性，因为随着时间的推移，存活时间时刻都在发生变化。而不变模式则要求，无论出于什么原因，对象自创建后，其内部状态和数据都要保持绝对的稳定。

因此，不变模式的主要使用场景需要满足以下两个条件：

• 当对象创建后，其内部状态和数据不再发生任何变化。
• 对象需要被共享，被多线程频繁访问。

在Java语言中，不变模式的实现很简单。为确保对象被创建后，不发生任何改变，并保证不变模式正常工作，只需要注意以下四点即可：

• 去除setter()方法及所有修改自身属性的方法。
• 将所有属性设置为私有的，并用final标记，确保其不可修改。
• 确保没有子类可以重载修改它的行为。
• 有一个可以创建完整对象的构造函数。

以下代码实现了一个不变的产品对象，它拥有序列号、名称和价格三个属性：

在不变模式的实现中，final关键字起到了重要的作用。对属性的final定义确保所有数据只能在对象被构造时赋值1次。之后，就永远不发生改变。而对class的final定义确保了类不会有子类。根据里氏替换原则，子类可以完全替代父类。如果父类是不变的，那么子类也必须是不变的，但实际上我们无法约束这点，为了防止子类做出一些意外的行为，这里干脆把子类都禁用了。

在JDK中，不变模式的应用非常广泛。其中，最典型的就是java.lang.String类。此外，所有的元数据类、包装类都是使用不变模式实现的。主要的不变模式类型如下：

由于基本数据类型和String类型在实际的软件开发中应用极其广泛，使用不变模式后，所有实例的方法均不需要进行同步操作，保证了它们在多线程环境下的性能。

注意：不变模式通过回避问题而不是解决问题的态度来处理多线程并发访问控制，不变对象是不需要进行同步操作的。由于并发同步会对性能产生不良的影响，因此，在需求允许的情况下，不变模式可以提高系统的并发性能和并发量。