【pattern】设计模式（1） - 单例模式

前言

  好久没写博客，强迫自己写一篇。只是总结一下自己学习的单例模式。

说明

单例模式的定义，摘自baike：

  单例模式最初的定义出现于《设计模式》（艾迪生维斯理, 1994）：“保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。”

  Java中单例模式定义：“一个类有且仅有一个实例，并且自行实例化向整个系统提供。”

懒加载（懒汉）：

  只有主动调用实例化方法，才实例化单例的类。即，主动调用类似getInstance()返回实例对象。

非懒加载（饿汉）：

  主动调用实例化方法、或单例类被被动加载时，单例类就被实例化。

  （被动加载，假设情况A、B都是单例，且B继承A。现在主动实例化B，但由于类加载关系，会先实例化父类A。此时A类就是被动的被类加载器加载。）

懒汉或饿汉的抉择：

  假设有一个[查询功能]单例类的实例化很占用内存空间[10M]、很消耗时间[10s]。

  如果是app饿汉，即启动app就实例该单例，那么会让启动app变慢[10s]、且多占用内存[10M]。这[10M]一直被浪费，直到用户使用到[查询功能]。所以建议用懒汉。

  如果是web饿汉，虽然会让web启动变慢[10s]、且[10M]内存长时间被浪费。但占用的是服务器资源，对用户来说，第一次使用[查询功能]是良好体验。因为不用花费[10s]去实例化。

    否则用户在第一次使用[查询功能]时，还要多等到[10s]去实例化单例。所以建议用饿汉。

  (只是简单举例说明，在spring、hibernate中有大量的懒加载机制。但理解不深)

单例模式中的线程安全：

  指的是在任何情况下，不会因为多线程的关系造成单例类被多次实例化。而不是指单例类中的成员变量、或方法是线程安全的。

关于网上介绍的单例模式的5种、或7种单例写法：

  在我看的几篇博客，其实都只能算5种。7种中有2对只是java上写法的不同，实质是一样的。

建议单例写法：枚举单例模式 （但android可能要注意）。

  1、“使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。因此，Effective Java推荐尽可能地使用枚举来实现单例。”

  2、android中枚举使用问题： “Enums often require more than twice as much memory as static constants. You should strictly avoid using enums on Android.”

枚举写法是不是懒加载：

  个人理解：枚举写法是懒加载。

  根据字节码可以看出，enum类是final类（不能被其他类继承）。所以不会存在被子类被动加载。

  enum类不会被反射、序列化构造对象。所以只有在主动调用时，enum类才被类加载器加载。

GC会不会回收长时间不使用的单例对象：

  个人观点：不会。

  除开枚举写法，所有单例类实例化后都是赋值给一个static的引用。e.g. private static Singleton instance = new Singleton();

  所以，在内存中一直存在一个引用instance指向单例的实例化对象new Singleton()。导致GC不会回收此单例类的实例化对象。

  然后对于枚举写法，根据枚举的特性，在被加载后是不会被GC回收的。（对枚举理解不深，所以不一定对。）

  详细可见： 单例模式讨论篇：单例模式与垃圾回收

一、懒汉基本的单例模式（不建议这么写）

 /** 懒加载，线程不安全*/
   public class LazyInsec {
       private static LazyInsec instance;

       private LazyInsec(){}

       public static LazyInsec getInstance(){
           if(instance == null) instance = new LazyInsec();
           return instance;
      }
  }

 

除非是单线程，不然不建议这么写。

（懒汉：可以看出instance只有在主动调用getInstance()时才实例化。）

/** 懒加载，线程安全。*/
public class LazySec {
    private static LazySec instance;
    private LazySec(){}
    /**
     * 区别只在sync
     * @see LazySec#getInstance()
     */
    public static synchronized LazySec getInstance(){
        if(instance == null) instance = new LazySec();
        return instance;
    }

    /**
     * 线程知识。作用一样。
     * @see #getInstance()
     */
    public static LazySec getInstance2(){
        synchronized (LazySec.class){
            if(instance == null) instance = new LazySec();
            return instance;
        }
    }
}

不建议使用的原因是：同步影响并发性。且在绝大多数情况下是不需要这同步检测的。

 

二、饿汉基本的单例模式

/**
 * 单例模式03：积极加载(饿汉)、线程安全。<br/>
 */
public class ActiveSec {
    /**
     * 饿汉：在类装载时就实例化。避免了多线程同步问题，所以线程安全。<br/>
     * 讨论：不能说积极加载比懒加载就差。积极加载只是在非必要的时候,就实例化了。
     */
    private static ActiveSec instance = new ActiveSec();
    private ActiveSec(){}

    public static ActiveSec getInstance(){
        return instance;
    }
}

/**
 * 单例模式04：饿汉变种、线程安全。<br/>
 * 网上也说了和{@link ActiveSec}差不多。但根据我对JVM的理解，其实只是写法不一样的区别。
 */
class ActiveSec2{
    private static ActiveSec2 instance;
    static{
        instance = new ActiveSec2();
    }
    private ActiveSec2(){}

    public static ActiveSec2 getInstance(){
        return instance;
    }
}

饿汉：可以看出只要类被ClassLoader加载，那么就马上实例化。（static修饰符特性）

其线程安全是通过类加载器ClassLoader的特性：同一个类，只能被相同的ClassLoader加载一次。

三、静态内部类 - 懒汉

/**
 * 单例模式05：懒加载、线程安全。<br/>
 * 区别03/04：前者是只要class类被装载，那么instance就赋值实例化对象(饿汉)。
 *  <br/>而此运用静态内部类特性,只有显示调过<code>getInstance()<code/>才会装载InnerClass,才会new LazySecInner();
 *  <br/>懒加载的目的：1.实例化相当消耗资源,让其在真正使用时才实例化。2.class可能被动的被装载,此时实例化是没意义的。
 *  <br/>
 */
public class LazySecInner {
    private static class InnerClass{
        private static final LazySecInner INSTANCE = new LazySecInner();
    }

    private LazySecInner(){}

    public static final LazySecInner getInstance(){
        return InnerClass.INSTANCE;
    }
}

当LazySecInner被ClassLoader加载时，其内部类InnerClass并没有被ClassLoader加载。

四、双重校验锁（JDK1.5后支持）

/**
 * 单例模式06：双重校验锁。
 */
public class DualSync {
    private volatile static DualSync instance;

    private DualSync(){}

    public static DualSync getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (DualSync.class){
                if(instance == null){
                    instance = new DualSync();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

写法太复杂，而且效率低下。虽然可能在jdk1.5+对多线程做了很多优化，但具体没了解。所以不怎么考虑这种写法。

****特别 为什么不建议使用以上写法。

1、可以通过反射得到新的实例化对象。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null) instance = new Singleton();
        return instance;
    }
}

class test{
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();

        Class clazz = Class.forName(Singleton.class.getName());
        Constructor[] constructors = clazz.getDeclaredConstructors();
        constructors[0].setAccessible(true);
        Singleton s3 = (Singleton) constructors[0].newInstance();

        System.out.println(s1 == s2); // true
        System.out.println(s1 == s3); // false
    }
}

解决办法：

2、序列化和反序列化

这里测试是用的fastjson序列化。可以看出s1==s2、s1！=s3。所以通过反序列化能破坏单例。

解决办法：

以上是针对fastjson的自定义序列化解析，如果是Serializable解决方案不一样。

总之，要想办法自定义解析序列化。达到返回单例的目的。

3、多个ClassLoader破坏单例

摘自网上的解决方案。（暂时没用过多个ClassLoader，所以暂时不详细测试）

private static Class getClass(String classname) throws ClassNotFoundException {
    ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    if(classLoader == null) classLoader = Singleton.class.getClassLoader();
return (classLoader.loadClass(classname));
    }
}

JVM在搜索类的时候，又是如何判定两个class是相同的呢？

  JVM在判定两个class是否相同时，不仅要判断两个类名是否相同，而且要判断是否由同一个类加载器实例加载的。只有两者同时满足的情况下，JVM才认为这两个class是相同的。

  就算两个class是同一份class字节码，如果被两个不同的ClassLoader实例所加载，JVM也会认为它们是两个不同class。

详细浏览： 深入分析Java ClassLoader原理

 

五、枚举单例模式（最推荐的写法）

/**
 * 单例模式06：利用枚举。<br/>
 * "这种方式是Effective Java作者Josh Bloch提倡的方式,避免多线程同步的同时,还能防止反序列化重新创建新的对象."
 */
public enum LazySecEnum {
    INSTANCE;
    public void anyMethod(){
        //some code...
    }
}

1、枚举不能通过反射实例化，所以也不会存在被反射破坏。

2、枚举不会被反序列化破坏。（枚举知识，不是很了解其原因） 参考：  深度分析 Java 的枚举类型：枚举的线程安全性及序列化问题

3、(仅作参考)枚举会被多个ClassLoader破坏。（不太确定，没有测试过。且对JVM、ClassLoader理解也不深。所以这只做参考理解）

对于android中枚举：

Enums often require more than twice as much memory as static constants. You should strictly avoid using enums on Android

 

附录：

  你真的会写单例模式吗——Java实现 （重点最后的说明）

  Java：单例模式的七种写法 

  深入Java单例模式 

  单例模式讨论篇：单例模式与垃圾回收

  深度分析 Java 的枚举类型：枚举的线程安全性及序列化问题

   深入分析Java ClassLoader原理