浅谈操作系统中的重要概念——线程（3）——设计模式

一、什么是设计模式？

设计模式就相当于菜谱，有了菜谱/秘籍，就能够根据菜谱上的指引/步骤做出许多从前不会的美食，就算不会下厨的人，拥有了食谱，他的厨艺也能够得到提升和保障。

因此设计模式就是程序员的菜谱，设计模式中介绍了许多典型场景，以及针对这些典型场景的处理办法。按照设计模式来写的代码不会很差，在一定的规范范围里。

设计模式有很多种，不止23种，今天主要介绍两种常见、常用的：
1、单例模式
2、工厂模式

二、单例模式

单例模式对应的场景：希望代码中的有些对象在整个程序中只有一个实例(即对象只能 new 一次)。

譬如说：JDBC中的数据源DataSource这样的对象就只需要一个即可，因此这个对象就可以使用单例模式。

对于我们程序员来说，如果有些对象在整个程序中只需要有一个实例即可，那我们程序员就只new一次就好了，为什么还需要引入单例模式？？那是因为对于程序来说，人是不靠谱的，就需要引入单例模式，此时由编译器来进行严格的检查（对于代码中只能new一次的对象，如果尝试new了多次，编译器就会直接报错来进行提示），确保某些对象处于单例模式。

接下来介绍一下在Java中单例模式的两种写法：

2.1、饿汉模式

饿汉模式：程序启动进行类加载之后，立即创建出实例。（比较迫切）

代码例子：

class Singleton{/*** 此处就期望类Singleton只有一个实例*///    静态成员：instance
//    static  静态的，与类相关的，整个程序中只有一份private static Singleton instance = new Singleton();//    通过此方法，随时获取到刚刚的 instance 变量public static Singleton getInstance(){return instance;}//    作出限制：禁止别人去 new 这个类的实例——>将构造方法变成privateprivate Singleton(){}
}public class testHunger {public static void main(String[] args) {Singleton s1 = Singleton.getInstance();Singleton s2 = Singleton.getInstance();
//        此时我们再new类的实例，直接编译报错（编译器校验了）
//        Singleton s3 = new Singleton();//        我们可以发现 s1、s2 这两个都是同一个对象System.out.println(s1.equals(s2)); //true
//        s1、s2 和 s3 不是同一个对象
//        System.out.println(s3.equals(s1)); //false
//        System.out.println(s3.equals(s2)); //false}
}

但是上述代码中，我们将类的构造方法改成private，此时别人就一定不能创建多个实例了吗？？其实还是可以通过 反射机制 ，在当前单例模式中，创建出多个实例。
但是反射属于 “非常规” 的编程手段，正常开发的时候，慎重使用，因为 滥用反射，会给代码带来极大风险，譬如会让代码变得抽象，日后难以维护，还破坏了Java的封装性。

当然Java中也有其他方式书写单例模式来防止反射，但此处不做过多介绍，可以自行查阅资料了解。

2.2、懒汉模式

懒汉模式：第一次使用实例的时候才创建实例，否则能不创建就不创建。（比较佛系）

/*** 代码示例：* 单例模式中的懒汉模式*/
class SingletonLazy{private static SingletonLazy instance = null;public static SingletonLazy getInstance(){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}return instance;}private SingletonLazy(){}
}public class testLazy {public static void main(String[] args) {SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();//        同样也是可以通过非常规手段：反射机制 获取类的实例Class<SingletonLazy> s3 = SingletonLazy.class;System.out.println(s3.equals(s1));System.out.println(s1.equals(s2));}
}

2.3、多线程情况下调用 饿汉模式与懒汉模式 谁是安全的？？（重点）

饿汉模式：

懒汉模式：


上述逻辑，也是一个经典的面试题！

那我们如何保证懒汉模式的线程安全呢？

由于上述引起线程安全的原因是 if语句与new语句不是一个整体，因此出现了线程安全问题，此时我们通过将if语句和new语句打包成一个整体来解决懒汉模式的线程安全问题。

加锁之后，线程在cpu上的执行流程：（当加了锁之后，线程t2执行if语句时，就会发现此时的instance是一个非null的值，）

虽然加了锁，解决了线程安全问题，但是还存在问题：加锁是一个高成本的操作，会引起阻塞等待。加锁的基本原则应该是：非必要，不加锁。不能无脑加锁，如果无脑加锁，就会导致程序的执行效率受到影响。

此时我们对懒汉模式的代码中加的锁，导致后续每次调用 getInstance() 方法都要加锁，但是这是不合理且不必要的。**懒汉模式线程不安全主要是因为首次 new 对象时，才存在的。一旦将对象 new 出来后，后续再调用 getInstance() 方法就不存在线程安全问题了。**但是我们现在的加锁是：首次 new 对象调用时，加锁了。后续调用，也加锁了。但实际上后续调用不必加锁，因为后续调用后if条件就进不去了，此时也就不再涉及到修改操作了，全是读操作。但我们把不该加锁的地方加上锁了，很影响程序的执行效率。

对加锁操作做出以下修改：

两个if语句之间存在加锁操作，加锁就会引起线程阻塞等待，究竟阻塞等待多久，不知道，有可能第一个if语句与第二个if语句间隔沧海桑田，因此在这个长久的时间间隔里，可能别的线程就把instance改了。

上述对加锁操作做了修改之后，还存在一个问题：

已知一般 instance = new SingletonLazy()；可以大致分成3个步骤：
1、给对象创建出内存空间，得到内存地址。
2、在空间上调用构造方法，对对象进行初始化。
3、把内存地址赋值给 instance引用。

假设现在代码的执行顺序由123变成132，但是在执行步骤3之后，进行了线程切换，此时还没来得及执行步骤2，即给对象初始化，就调度给别的线程了，此时别的线程执行的时候，判断instance不为空了，于是就直接返回instance，并且后续代码中可能会使用 instance 中的一些属性或者方法，但是由于多线程下出现了指令重排序的问题导致线程安全问题，此时的instance是个空引用，即拿到的这个对象，是个没有进行初始化，不完整的对象。

解决办法：给变量 instance 加上 volatile 之后，此时针对 instance 的赋值操作，就不会产生上述的指令重排序了，其执行顺序必然是遵循1、2、3执行。

加上 volatile 还有一个另外的用途：避免此处赋值操作的指令重排序。

懒汉模式的最终代码版本：

/*** 代码示例：* 单例模式中的懒汉模式*/
class SingletonLazy{private static volatile SingletonLazy instance = null;public static SingletonLazy getInstance(){if (instance == null){synchronized (SingletonLazy.class){if(instance == null){instance = new SingletonLazy();}}}return instance;}private SingletonLazy(){}
}public class testLazy {public static void main(String[] args) {SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();//        同样也是可以通过非常规手段：反射机制 获取类的实例Class<SingletonLazy> s3 = SingletonLazy.class;System.out.println(s3.equals(s1));System.out.println(s1.equals(s2));}
}

懒汉模式代码的3大要点：
1、加锁
2、双重if
3、volatile

从字面上理解/区分 饿汉模式和懒汉模式 会比较抽象，举2个例子加深一下理解：
譬如说日常生活中，吃完饭之后需要洗碗，有的人习惯吃完饭后立即洗碗，有的人习惯吃完饭后将碗放到一边，等到下顿饭要吃的时候才洗碗。一般大家会觉得吃完饭之后立即洗碗是一种高效率的生活方式，但其实在不考虑卫生的情况下，吃完饭后不洗碗，等到下次开饭再洗碗然后接着用，其实效率会更高。比如说这顿吃完有4个碗，下顿开饭只需要用到2个碗，此时就只需要洗2个碗来用就行了，效率大大提高了。

还譬如说：假设编辑器打开一个很大的文件，有的编辑器会一下尝试把所有内容都加载到内存中，再显示出来，这是典型的饿汉模式。有的编辑器，则只加载一部分内容（一个屏幕能显示的内容），其他部分，当用户翻页想要浏览时，再加载出来，这是典型的懒汉模式。

三、工厂模式

3.1、什么是工厂模式？

工厂，顾名思义是用来生产的。那么对应到我们代码上，工厂模式就是用来生产对象的。那么具体是怎么进行生产对象的呢？？一般我们创建对象都是通过 new 的形式，使用构造方法来把对象创建出来，但构造方法存在一些缺陷，因此此时就可以使用 工厂模式 解决 上述问题。

3.1.1、构造方法存在的缺陷

3.1.1.1、构造方法的名字必须固定是类名

但是有时候有的类需要多种不同的构造方式，可由于构造方法名必须与类名一致，此时就只能使用方法重载（参数的个数和类型需要有差别）的方式来区分了。

譬如有一个坐标系类 Point。在此类中想要通过两种构造方式进行创建对象，一种是笛卡尔坐标系构造，一种是按照极坐标构造：

public class Point{public Point(double x,double y){}public Point(double r,double a){}
} 

这两种构造方式的意义并不一样，但是使用构造方法表示出来时，由于其参数个数和类型都一致，因此无法构成方法重载，因此上述代码就会直接编译报错。那此时就可以使用工厂模式来解决上述问题：1、即不使用构造方法了，使用普通的方法来构造对象，这样方法名字就可以是任意的了。2、在普通方法的内部，再来new对象。

由于普通方法的目的是为了创建出对象来，因此这样的普通方法一般得是静态的。（因为要创建实例却又依赖实例，因此这样的普通方法设定为 静态的）

public class Point{
//由于这两方法的方法名不同，此时不会编译报错，public static makePointXY(double x,double y){//我们再在方法内部 new 出对象Point p = Point.makePointXY(10,20);}public static makePointRA(double r,double a){}
}

这样的操作，我们就称为 “工厂模式”，这样的方法我们就称为 “工厂方法”