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多线程 (六) 单例模式

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目录

一. 什么是单例模式

二. 单例模式的类型

三. 单例模式优缺点

四. 创建单例模式

1.饿汉式实现单例模式

2. 懒汉式实现单例模式

3. 两种实现方式的比较

五.解决懒汉单例的实现带来的线程不安全问题



一. 什么是单例模式

单例模式是指在内存中只会创建且仅创建一次对象的设计模式。在程序中多次使用同一个对象且作用相同时,为了防止频繁地创建对象使得内存飙升,单例模式可以让程序仅在内存中创建一个对象,让所有需要调用的地方都共享这一单例对象。

二. 单例模式的类型

单例模式有两种类型:

  • 懒汉式:在真正需要使用对象时才去创建该单例类对象
  • 饿汉式:在类加载时已经创建好该单例对象,等待被程序使用

三. 单例模式优缺点

优点: 1、在内存里只有一个实例,减少了内存的开销,尤其是频繁的创建和销毁实例(比如管理学院首页页面缓存)。

2、避免对资源的多重占用(比如写文件操作)。

缺点:没有接口,不能继承,与单一职责原则冲突,一个类应该只关心内部逻辑,而不关心外面怎么样来实例化。

主要解决:一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用:当您想控制实例数目,节省系统资源的时候。

如何解决:判断系统是否已经有这个单例,如果有则返回,如果没有则创建。

关键代码:构造函数是私有的。

注意:

1、单例类只能有一个实例。

2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。

3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

四. 创建单例模式

1.饿汉式实现单例模式

主要实现步骤:(饿汉主要体现在直接创建对象)

1.先将构造方法私有化, 避免用户直接在外部 new 新对象。

2.在类的内部属性部分直接创建一个对象(我们已经将构造方法私有化了,因此在外部没有办法 new 新对象,所以只能在类的内部创建对象)。

3.向外提供一个公共的静态方法,用于外部引用该对象。(创建好了对象后,如果对外不提供公共方法,我们就没有办法使用这个被创建的对象。)

注意:之所以用static是因为类外无法直接创建对象,我们加上static就可以通过类名获取该类的属性和方法了.

代码演示:

public class Singleton {// 提供一个对象private static Singleton instance = new Singleton();// 防止外部new对象private Singleton(){}// 使得外部能够访问到创建的对象public static Singleton getInstance(){return instance;}
}

2. 懒汉式实现单例模式

主要实现步骤:

1.先将构造器私有化, 避免用户直接在外部 new 新对象。

2.在类的内部 声明一个对象引用,但是不创建, 即先不 new;

3.向外提供一个公共的静态方法,用于创建对象并返回对象引用。 

(懒汉主要体现在不直接创建对象,而是在需要的时候再创建)

代码演示:

public class Singleton {// 提供一个对象的引用private static Singleton instance = null;// 防止外部new对象private Singleton(){}// 用于创建对象或使得外部能够访问到创建的对象public static Singleton getInstance(){if (instance == null){instance = new Singleton();}return instance;}
}

3. 两种实现方式的比较

两种实现方法都是通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化,在同一个虚拟机范围内,Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。

(事实上,通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的,那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论,姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。)

但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题,它是线程不安全的并发环境下很可能出现多个Singleton实例,相比较饿汉式单例的实现仅仅只是读取了变量的内容,因此,是线程安全的!

五.解决懒汉单例的实现带来的线程不安全问题

       

 在懒汉模式的这段代码中,既包含了读,又包含了写,且读写还不是原子的(分成了两个步骤~), 所以存在线程安全问题。

举例解释说明:

比如:两个线程t1,t2同时进入该方法,需要返回给 t1 ,t2 对象实例。当 t1 进入该方法后,进行判断,不为 null,因此需要创建一个对象,而在创建对象的过程中,t2 刚好也进入了该方法,也被判断成了不为 null,此时,t1, t2就指向不同的对象了,所以它是线程不安全的。

对于原子性所引起的线程安全问题,前面我们有讲线程安全及解决方案(看这一篇就够了)

这里我们可以对这段代码直接加锁,这样就可以保证在进行读和写操作的时候,只有一个线程在操作,也就可以避免另一个线程同时进入 if 语句去创建对象了

 public static Singleton getInstance(){//对类对象加锁synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}return instance;}}

问题解决了,可是,这种方案真的好吗?

对于加锁操作来说,加锁确实可以让代码保证线程安全,但是也会付出相应的代价, 最典型的代价就是程序运行变慢了。本来我多个线程运行的好好的,你给我加了把锁,其他线程不就进不去了吗?(一定程度上的阻塞)

此时我们可以再加一个判断!判断 instance 是否被初始化完成,如果已经初始化,就不必进入加锁的代码块了

// 用于创建对象或使得外部能够访问到创建的对象public static Singleton getInstance(){//用于判断是否加锁if(instance == null) {synchronized (Singleton.class) {//用于判断是否创建对象实例if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}

现在代码似乎看起来已经没有问题了,但实际上还有可能发生内存可见性问题!

如果多个线程,都去调用 getInstance方法,就会造成大量的读 instance 操作。而,我们知道,对于在内存读和在寄存器读来说,后者的效率更高。因此,编译器会自作主张,对代码进行优化:将读内存操作优化成读寄存器操作。
也就是说,即使某个线程将instance初始化了,但是由于编译器的优化,在其他线程的视角看起来,instance 还是null。

也就是说,这里的内存可见性问题,会导致第一个if语句失效,即不该加锁的时候还会加锁。因此,我们需要保证内存可见!即使用 volatile 对 instance 进行修饰,被volatile修饰的变量,都会从主内存中读取该变量。同时,使用 volatile 可以防止 指令重排序

 至此,懒汉单例的实现带来的线程不安全问题基本得以解决!

对于线程安全问题不是太了解的可以参考我上一篇博客

线程安全及解决方案(看这一篇就够了)

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