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任然是单例的呢?这些问题在看了本文之后都会一一的告诉你答案,赶快来阅读吧!
什么是单例模式?
在文章开始之前我们还是有必要介绍一下什么是单例模式。单例模式是为确保一个类只有一个实例,并为整个系统提供一个全局访问点的一种模式方法。
从概念中体现出了单例的一些特点:
(1)、在任何情况下,单例类永远只有一个实例存在
(2)、单例需要有能力为整个系统提供这一唯一实例
为了便于读者更好的理解这些概念,下面给出这么一段内容叙述:
在计算机系统中,线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机,但只能有一个Printer Spooler,以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口,系统应当集中管理这些通信端口,以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之,选择单例模式就是为了避免不一致状态,避免政出多头。
正是由于这个特点,单例对象通常作为程序中的存放配置信息的载体,因为它能保证其他对象读到一致的信息。例如在某个服务器程序中,该服务器的配置信息可能存放在数据库或文件中,这些配置数据由某个单例对象统一读取,服务进程中的其他对象如果要获取这些配置信息,只需访问该单例对象即可。这种方式极大地简化了在复杂环境 下,尤其是多线程环境下的配置管理,但是随着应用场景的不同,也可能带来一些同步问题。1、饿汉式单例
饿汉式单例是指在方法调用前,实例就已经创建好了。下面是实现代码:
package org.mlinge.s01; public class MySingleton { private static MySingleton instance = new MySingleton(); private MySingleton(){} public static MySingleton getInstance() { return instance; } }
package org.mlinge.s01; public class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode()); } public static void main(String[] args) { MyThread[] mts = new MyThread[10]; for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){ mts[i] = new MyThread(); } for (int j = 0; j < mts.length; j++) { mts[j].start(); } }}
以上代码运行结果:
1718900954171890095417189009541718900954171890095417189009541718900954171890095417189009541718900954从运行结果可以看出实例变量额hashCode值一致,这说明对象是同一个,饿汉式单例实现了。
2、懒汉式单例
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“不急迫”,所以被叫做“懒汉模式”。下面是实现代码:
package org.mlinge.s02; public class MySingleton { private static MySingleton instance = null; private MySingleton(){} public static MySingleton getInstance() { if(instance == null){ //懒汉式 instance = new MySingleton(); } return instance; }}
这里实现了懒汉式的单例,但是熟悉多线程并发编程的朋友应该可以看出,在多线程并发下这样的实现是无法保证实例实例唯一的,甚至可以说这样的失效是完全错误的,下面我们就来看一下多线程并发下的执行情况,这里为了看到效果,我们对上面的代码做一小点修改:
package org.mlinge.s02; public class MySingleton { private static MySingleton instance = null; private MySingleton(){} public static MySingleton getInstance() { try { if(instance != null){ //懒汉式 }else{ //创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 Thread.sleep(300); instance = new MySingleton(); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return instance; }}
这里假设在创建实例前有一些准备性的耗时工作要处理,多线程调用:
package org.mlinge.s02; public class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode()); } public static void main(String[] args) { MyThread[] mts = new MyThread[10]; for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){ mts[i] = new MyThread(); } for (int j = 0; j < mts.length; j++) { mts[j].start(); } }}
执行结果如下:
12104205681210420568193512345017189009541481297610186326487936953979512104205681210420568602269801从这里执行结果可以看出,单例的线程安全性并没有得到保证,那要怎么解决呢?
3、线程安全的懒汉式单例
要保证线程安全,我们就得需要使用同步锁机制,下面就来看看我们如何一步步的解决 存在线程安全问题的懒汉式单例(错误的单例)。
(1)、 方法中声明synchronized关键字
出现非线程安全问题,是由于多个线程可以同时进入getInstance()方法,那么只需要对该方法进行synchronized的锁同步即可:
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package org.mlinge.s03; public class MySingleton { private static MySingleton instance = null; private MySingleton(){} public synchronized static MySingleton getInstance() { try { if(instance != null){ //懒汉式 }else{ //创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 Thread.sleep(300); instance = new MySingleton(); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return instance; }}
此时任然使用前面验证多线程下执行情况的MyThread类来进行验证,将其放入到org.mlinge.s03包下运行,执行结果如下:
1689058373168905837316890583731689058373168905837316890583731689058373168905837316890583731689058373
从执行结果上来看,问题已经解决了,但是这种实现方式的运行效率会很低。同步方法效率低,那我们考虑使用同步代码块来实现:
(2)、 同步代码块实现
package org.mlinge.s03; public class MySingleton { private static MySingleton instance = null; private MySingleton(){} //public synchronized static MySingleton getInstance() { public static MySingleton getInstance() { try { synchronized (MySingleton.class) { if(instance != null){ //懒汉式 }else{ //创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 Thread.sleep(300); instance = new MySingleton(); } } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return instance; }}
这里的实现能够保证多线程并发下的线程安全性,但是这样的实现将全部的代码都被锁上了,同样的效率很低下。
(3)、 针对某些重要的代码来进行单独的同步(可能非线程安全)
针对某些重要的代码进行单独的同步,而不是全部进行同步,可以极大的提高执行效率,我们来看一下:
package org.mlinge.s04; public class MySingleton { private static MySingleton instance = null; private MySingleton(){} public static MySingleton getInstance() { try { if(instance != null){ //懒汉式 }else{ //创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 Thread.sleep(300); synchronized (MySingleton.class) { instance = new MySingleton(); } } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return instance; }}
此时同样使用前面验证多线程下执行情况的MyThread类来进行验证,将其放入到org.mlinge.s04包下运行,执行结果如下:
148129761039763037818632648791210420568193512345036953979559020290117189009541689058373602269801从运行结果来看,这样的方法进行代码块同步,代码的运行效率是能够得到提升,但是却 没能保住线程的安全性。看来还得进一步考虑如何解决此问题。
(4)、 Double Check Locking 双检查锁机制(推荐)
为了达到线程安全,又能提高代码执行效率,我们这里可以采用DCL的双检查锁机制来完成,代码实现如下:
package org.mlinge.s05; public class MySingleton { //使用volatile关键字保其可见性 volatile private static MySingleton instance = null; private MySingleton(){} public static MySingleton getInstance() { try { if(instance != null){ //懒汉式 }else{ //创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作 Thread.sleep(300); synchronized (MySingleton.class) { if(instance == null){ //二次检查 instance = new MySingleton(); } } } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } return instance; }}
将前面验证多线程下执行情况的MyThread类放入到org.mlinge.s05包下运行,执行结果如下:
369539795369539795369539795369539795369539795369539795369539795369539795369539795369539795
从运行结果来看,该中方法保证了多线程并发下的线程安全性。
这里在声明变量时使用了volatile关键字来保证其线程间的可见性;在同步代码块中使用二次检查,以保证其不被重复实例化。集合其二者,这种实现方式既保证了其高效性,也保证了其线程安全性。
4、使用静态内置类实现单例模式
DCL解决了多线程并发下的线程安全问题,其实使用其他方式也可以达到同样的效果,代码实现如下:
package org.mlinge.s06; public class MySingleton { //内部类 private static class MySingletonHandler{ private static MySingleton instance = new MySingleton(); } private MySingleton(){} public static MySingleton getInstance() { return MySingletonHandler.instance; }}
以上代码就是使用静态内置类实现了单例模式,这里将前面验证多线程下执行情况的MyThread类放入到org.mlinge.s06包下运行,执行结果如下:
1718900954171890095417189009541718900954171890095417189009541718900954171890095417189009541718900954
从运行结果来看,静态内部类实现的单例在多线程并发下单个实例得到了保证。
5、序列化与反序列化的单例模式实现
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就是多例的。
代码实现如下:
package org.mlinge.s07; import java.io.Serializable; public class MySingleton implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; //内部类 private static class MySingletonHandler{ private static MySingleton instance = new MySingleton(); } private MySingleton(){} public static MySingleton getInstance() { return MySingletonHandler.instance; }}
序列化与反序列化测试代码:
package org.mlinge.s07; import java.io.File;import java.io.FileInputStream;import java.io.FileNotFoundException;import java.io.FileOutputStream;import java.io.IOException;import java.io.ObjectInputStream;import java.io.ObjectOutputStream; public class SaveAndReadForSingleton { public static void main(String[] args) { MySingleton singleton = MySingleton.getInstance(); File file = new File("MySingleton.txt"); try { FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file); ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos); oos.writeObject(singleton); fos.close(); oos.close(); System.out.println(singleton.hashCode()); } catch (FileNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } try { FileInputStream fis = new FileInputStream(file); ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis); MySingleton rSingleton = (MySingleton) ois.readObject(); fis.close(); ois.close(); System.out.println(rSingleton.hashCode()); } catch (FileNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } catch (ClassNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } }}
运行以上代码,得到的结果如下:
8651139381442407170
从结果中我们发现,序列号对象的hashCode和反序列化后得到的对象的hashCode值不一样,说明反序列化后返回的对象是重新实例化的,单例被破坏了。那怎么来解决这一问题呢?
解决办法就是在反序列化的过程中使用readResolve()方法,单例实现的代码如下:
package org.mlinge.s07; import java.io.ObjectStreamException;import java.io.Serializable; public class MySingleton implements Serializable { private static final long serialVersionUID = 1L; //内部类 private static class MySingletonHandler{ private static MySingleton instance = new MySingleton(); } private MySingleton(){} public static MySingleton getInstance() { return MySingletonHandler.instance; } //该方法在反序列化时会被调用,该方法不是接口定义的方法,有点儿约定俗成的感觉 protected Object readResolve() throws ObjectStreamException { System.out.println("调用了readResolve方法!"); return MySingletonHandler.instance; }}
再次运行上面的测试代码,得到的结果如下:
865113938调用了readResolve方法!865113938从运行结果可知,添加readResolve方法后反序列化后得到的实例和序列化前的是同一个实例,单个实例得到了保证。
6、使用static代码块实现单例
静态代码块中的代码在使用类的时候就已经执行了,所以可以应用静态代码块的这个特性的实现单例设计模式。
package org.mlinge.s08; public class MySingleton{ private static MySingleton instance = null; private MySingleton(){} static{ instance = new MySingleton(); } public static MySingleton getInstance() { return instance; } }
测试代码如下:
package org.mlinge.s08; public class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { for (int i = 0; i < 5; i++) { System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode()); } } public static void main(String[] args) { MyThread[] mts = new MyThread[3]; for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){ mts[i] = new MyThread(); } for (int j = 0; j < mts.length; j++) { mts[j].start(); } }}
运行结果如下:
171890095417189009541718900954171890095417189009541718900954171890095417189009541718900954171890095417189009541718900954171890095417189009541718900954
从运行结果看,单例的线程安全性得到了保证。
7、使用枚举数据类型实现单例模式
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:
package org.mlinge.s09; public enum EnumFactory{ singletonFactory; private MySingleton instance; private EnumFactory(){ //枚举类的构造方法在类加载是被实例化 instance = new MySingleton(); } public MySingleton getInstance(){ return instance; } } class MySingleton{ //需要获实现单例的类,比如数据库连接Connection public MySingleton(){} }
测试代码如下:
package org.mlinge.s09; public class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { System.out.println(EnumFactory.singletonFactory.getInstance().hashCode()); } public static void main(String[] args) { MyThread[] mts = new MyThread[10]; for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){ mts[i] = new MyThread(); } for (int j = 0; j < mts.length; j++) { mts[j].start(); } }}
执行后得到的结果:
1481297610148129761014812976101481297610148129761014812976101481297610148129761014812976101481297610
运行结果表明单例得到了保证,但是这样写枚举类被完全暴露了,据说违反了“职责单一原则”,那我们来看看怎么进行改造呢。
8、完善使用enum枚举实现单例模式
不暴露枚举类实现细节的封装代码如下:
package org.mlinge.s10; public class ClassFactory{ private enum MyEnumSingleton{ singletonFactory; private MySingleton instance; private MyEnumSingleton(){ //枚举类的构造方法在类加载是被实例化 instance = new MySingleton(); } public MySingleton getInstance(){ return instance; } } public static MySingleton getInstance(){ return MyEnumSingleton.singletonFactory.getInstance(); }} class MySingleton{ //需要获实现单例的类,比如数据库连接Connection public MySingleton(){} }
验证单例实现的代码如下:
package org.mlinge.s10; public class MyThread extends Thread{ @Override public void run() { System.out.println(ClassFactory.getInstance().hashCode()); } public static void main(String[] args) { MyThread[] mts = new MyThread[10]; for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){ mts[i] = new MyThread(); } for (int j = 0; j < mts.length; j++) { mts[j].start(); } }}
验证结果:
1935123450193512345019351234501935123450193512345019351234501935123450193512345019351234501935123450
验证结果表明,完善后的单例实现更为合理。
以上就是本文要介绍的所有单例模式的实现,相信认真阅读的读者都已经明白文章开头所引入的那几个问题了,祝大家读得开心:-D!
备注:本文的编写思路和实例源码参照《Java多线程编程核心技术》-(高洪岩)一书中第六章的学习案例撰写。