《Head first设计模式》学习笔记 – 单件模式

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单件模式确保一个类只有一个实例,并提供一个全局访问点。

有一些对象我们只需要一个,比方说:线程池、缓存、对话框、处理器偏好设置和注册表的对象等等。事实上,这类对象只能有一个实例,如果制造出多个实例,就会导致许多问题产生,例如:程序的行为异常、资源使用过量,或者是不一致的结果。

使用静态变量

如何确保这些类只存在一个实例?利用java的静态变量可以做到,但使用静态变量有个缺点:如果将对象赋值给一个全局变量,那么你必须在程序一开始就创建好对象。万一这个对象非常耗费资源,而程序在这次的执行过程中又一直没用到它,就形成了浪费。

经典的单件实现

以下是经典的单件实现:

public class Singleton {
// 利用一个静态变量来记录Singleton的唯一实例。
private static Singleton uniqueInstance;

// 把构造器声明为私有的,只有Singleton类内才可以调用构造器。
private Singleton() {
}

// 用getInstance()方法实例化对象,并返回这个实例。
public static Singleton getInstance() {
// 如果uniqueInstance是空的,表示还没有创建实例。
if (uniqueInstance == null) {


// 如果uniqueInstance是空的,我们就利用私有的构造器产生一个Singleton实例并


// 把它赋值给uniqueInstance静态变量中。请注意,如果我们不需要这个实例,它就


// 永远不会产生。这就是“延迟实例化”


uniqueInstance = new Singleton();
}
return uniqueInstance;
}
}

getInstance()是静态的,这意味着它是一个类方法,所以可以在代码的任何地方使用Singleton.getInstance()访问它。这和访问全局变量一样简单,只是多了个优点:单件可以延迟实例化。

处理多线程

假如有两个线程同时调用Singleton.getInstance(),而这时uniqueInstance还没有初始化,那么有可能会出现调用Singleton.getInstance()方法返回不同的实例。
只要把getInstance()变成同步方法,多线程灾难几乎就可以轻易地解决了:

public class Singleton {
private static Singleton uniqueInstance;

private Singleton() {
}

// 通过增加synchronized关键字到getInstance()方法中,我们
// 迫使每个线程在进入这个方法之前,要先等候别的线程离开该方法。
// 也就是说,不会有两个线程可以同时进入这个方法。
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (uniqueInstance == null) {


uniqueInstance = new Singleton();
}
return uniqueInstance;
}
}

上面的代码可以解决多线程的问题,但是同步会降低性能,这不又是另一个问题吗?
只有第一次执行此方法时,才真正需要同步,一旦设置好uniqueInstance变量,就不需要同步这个方法了。之后每次调用这个方法,同步都是一种累赘。

改善多线程

为了要符合大多数java应用程序,很明显的,我们需要确保单件模式能在多线程的状况下正常工作。但是似乎同步getInstance()的做法将拖垮性能,该怎么办你?
可以有一些选择:

1. 如果getInstance()的性能对应用程序不是很关键,就什么都别做

没错,如果你的应用程序可以接受getInstance()造成的额外负担,就忘了这件事吧。同步getInstance()的方法既简单又有效。但是你必须知道,同步一个方法可能造成程序效率下降100倍。因此如果将getInstance()的程序使用在频繁运行的地方,你可能就要重新考虑了。

2. 使用“急切”创建实例,而不用延迟实例化的做法

如果应用程序总是创建并使用单件实例,或者在创建和运行时方面的负担不太繁重,你可能想要急切创建此单件,如下所示:

public class Singleton {
// 在静态初始化器中创建单件。这段代码保证了线程安全
private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

private Singleton() {
}

public static Singleton getInstance() {
// 已经有实例了,直接使用它
return uniqueInstance;
}
}

利用这个做法,我们依赖JVM在加载这个类时马上创建此唯一的单件实例。JVM保证在任何线程访问uniqueInstance静态变量之前,一定先创建此实例。

3. 用“双重检查加锁”,在getInstance()中减少使用同步

利用双重检查加锁,首先检查是否实例已经创建了,如果尚未创建,才进行同步。这样一来,只有第一次会同步,这正是我们想要的。

public class Singleton {
// volatile关键词确保,当uniqueInstance变量被初始化成Singleton实例时,
// 多个线程正确地处理uniqueInstance变量
private volatile static Singleton uniqueInstance;

private Singleton() {
}

public static synchronized Singleton getInstance() {
// 检查实例,如果不存在,就进入同步区块。
if (uniqueInstance == null) {


// 注意,只有第一次才彻底执行这里的代码


synchronized (Singleton.class){


// 进入区块后,再检查一次。如果仍是null,才创建实例


if (uniqueInstance == null) {


uniqueInstance = new Singleton();


}


}
}
return uniqueInstance;
}
}

如果性能是你关心的重点,那么这个做法可以帮你大大地减少getInstance()的时间耗费。

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