重學 Java 設計模式：實戰單例模式

做者：小傅哥
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1、前言

5個建立型模式的最後一個

在設計模式中按照不一樣的處理方式共包含三大類；建立型模式、結構型模式和行爲模式，其中建立型模式目前已經介紹了其中的四個；工廠方法模式、抽象工廠模式、生成器模式和原型模式，除此以外還有最後一個單例模式。

掌握了的知識才是本身的

在本次編寫的重學 Java 設計模式的編寫中儘量多的用各類場景案例還介紹設計的使用，包括咱們已經使用過的場景；各類類型獎品發放、多套Redis緩存集羣升級、裝修公司報價清單和百份考卷題目與答案亂序，經過這些場景案例的實踐感覺設計模式的思想。但這些場景都是做者經過經驗分離出來的，還並非讀者的知識，因此你若是但願能夠融會貫通的掌握那麼必定要親力親爲的操做，事必躬親的完成。

書不是看的是用的

在這裏仍是想強調一下學習方法，總有不少小夥伴對學習知識有疑惑，明明看了、看的時候也懂了，但到了實際使用的時候卻用不上。或者有時候在想是不要是有更加生動的漫畫或者什麼對比會好些，固然這些方式可能會加快一個新人對知識的理解速度。但只要你把學習視頻當電影看、學習書籍當故事看，就很難掌握這項技術棧。只有你把它用起來，逐字逐句的深挖，一點點的探求，把各項遇到的盲點所有掃清，才能讓你真的掌握這項技能。

2、開發環境

1. JDK 1.8
2. Idea + Maven
3. 涉及工程1個，能夠經過關注公衆號：bugstack蟲洞棧，回覆源碼下載獲取(打開獲取的連接，找到序號18)

3、單例模式介紹

單例模式能夠說是整個設計中最簡單的模式之一，並且這種方式即便在沒有看設計模式相關資料也會經常使用在編碼開發中。

由於在編程開發中常常會遇到這樣一種場景，那就是須要保證一個類只有一個實例哪怕多線程同時訪問，並須要提供一個全局訪問此實例的點。

綜上以及咱們日常的開發中，能夠總結一條經驗，單例模式主要解決的是，一個全局使用的類頻繁的建立和消費，從而提高提高總體的代碼的性能。

4、案例場景

本章節的技術所出現的場景很是簡單也是咱們平常開發所能見到的，例如；

1. 數據庫的鏈接池不會反覆建立
2. spring中一個單例模式bean的生成和使用
3. 在咱們日常的代碼中須要設置全局的的一些屬性保存

在咱們的平常開發中大體上會出現如上這些場景中使用到單例模式，雖然單例模式並不複雜可是使用面卻比較廣。

5、7種單例模式實現

單例模式的實現方式比較多，主要在實現上是否支持懶漢模式、是否線程安全中運用各項技巧。固然也有一些場景不須要考慮懶加載也就是懶漢模式的狀況，會直接使用static靜態類或屬性和方法的方式進行處理，供外部調用。

那麼接下來咱們就經過實現不一樣方式的實現進行講解單例模式。

0. 靜態類使用

public class Singleton_00 {

    public static Map<String,String> cache = new ConcurrentHashMap<String, String>();
    
}

• 以上這種方式在咱們日常的業務開發中很是場常見，這樣靜態類的方式能夠在第一次運行的時候直接初始化Map類，同時這裏咱們也不須要到延遲加載在使用。
• 在不須要維持任何狀態下，僅僅用於全局訪問，這個使用使用靜態類的方式更加方便。
• 但若是須要被繼承以及須要維持一些特定狀態的狀況下，就適合使用單例模式。

1. 懶漢模式(線程不安全)

public class Singleton_01 {

    private static Singleton_01 instance;

    private Singleton_01() {
    }

    public static Singleton_01 getInstance(){
        if (null != instance) return instance;
        return new Singleton_01();
    }

}

• 單例模式有一個特色就是不容許外部直接建立，也就是new Singleton_01()，所以這裏在默認的構造函數上添加了私有屬性 private。
• 目前此種方式的單例確實知足了懶加載，可是若是有多個訪問者同時去獲取對象實例你能夠想象成一堆人在搶廁所，就會形成多個一樣的實例並存，從而沒有達到單例的要求。

2. 懶漢模式(線程安全)

public class Singleton_02 {

    private static Singleton_02 instance;

    private Singleton_02() {
    }

    public static synchronized Singleton_02 getInstance(){
        if (null != instance) return instance;
        return new Singleton_02();
    }

}

• 此種模式雖然是安全的，但因爲把鎖加到方法上後，全部的訪問都因須要鎖佔用致使資源的浪費。若是不是特殊狀況下，不建議此種方式實現單例模式。

3. 餓漢模式(線程安全)

public class Singleton_03 {

    private static Singleton_03 instance = new Singleton_03();

    private Singleton_03() {
    }

    public static Singleton_03 getInstance() {
        return instance;
    }

}

• 此種方式與咱們開頭的第一個實例化Map基本一致，在程序啓動的時候直接運行加載，後續有外部須要使用的時候獲取便可。
• 但此種方式並非懶加載，也就是說不管你程序中是否用到這樣的類都會在程序啓動之初進行建立。
• 那麼這種方式致使的問題就像你下載個遊戲軟件，可能你遊戲地圖尚未打開呢，可是程序已經將這些地圖所有實例化。到你手機上最明顯體驗就一開遊戲內存滿了，手機卡了，須要換了。

4. 使用類的內部類(線程安全)

public class Singleton_04 {

    private static class SingletonHolder {
        private static Singleton_04 instance = new Singleton_04();
    }

    private Singleton_04() {
    }

    public static Singleton_04 getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }

}

• 使用類的靜態內部類實現的單例模式，既保證了線程安全有保證了懶加載，同時不會由於加鎖的方式耗費性能。
• 這主要是由於JVM虛擬機能夠保證多線程併發訪問的正確性，也就是一個類的構造方法在多線程環境下能夠被正確的加載。
• 此種方式也是很是推薦使用的一種單例模式

5. 雙重鎖校驗(線程安全)

public class Singleton_05 {

    private volatile static Singleton_05 instance;

    private Singleton_05() {
    }

    public static Singleton_05 getInstance(){
       if(null != instance) return instance;
       synchronized (Singleton_05.class){
           if (null == instance){
               instance = new Singleton_05();
           }
       }
       return instance;
    }

}

• 雙重鎖的方式是方法級鎖的優化，減小了部分獲取實例的耗時。
• 同時這種方式也知足了懶加載。
• volatile關鍵字會強制的保證線程的可見性，而不加這個關鍵字，JVM也會盡力去保證可見性，但若是CPU一直處於繁忙狀態就不肯定了。

6. CAS「AtomicReference」(線程安全)

public class Singleton_06 {

    private static final AtomicReference<Singleton_06> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton_06>();

    private static Singleton_06 instance;

    private Singleton_06() {
    }

    public static final Singleton_06 getInstance() {
        for (; ; ) {
            Singleton_06 instance = INSTANCE.get();
            if (null != instance) return instance;
            INSTANCE.compareAndSet(null, new Singleton_06());
            return INSTANCE.get();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Singleton_06.getInstance()); // org.itstack.demo.design.Singleton_06@2b193f2d
        System.out.println(Singleton_06.getInstance()); // org.itstack.demo.design.Singleton_06@2b193f2d
    }

}

• java併發庫提供了不少原子類來支持併發訪問的數據安全性；AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicReference。
• AtomicReference 能夠封裝引用一個V實例，支持併發訪問如上的單例方式就是使用了這樣的一個特色。
• 使用CAS的好處就是不須要使用傳統的加鎖方式保證線程安全，而是依賴於CAS的忙等算法，依賴於底層硬件的實現，來保證線程安全。相對於其餘鎖的實現沒有線程的切換和阻塞也就沒有了額外的開銷，而且能夠支持較大的併發性。
• 固然CAS也有一個缺點就是忙等，若是一直沒有獲取到將會處於死循環中。

7. Effective Java做者推薦的枚舉單例(線程安全)

public enum Singleton_07 {

    INSTANCE;
    public void test(){
        System.out.println("hi~");
    }

}

約書亞·布洛克（英語：Joshua J. Bloch，1961年8月28日－），美國著名程序員。他爲Java平臺設計並實做了許多的功能，曾擔任Google的首席Java架構師（Chief Java Architect）。

• Effective Java 做者推薦使用枚舉的方式解決單例模式，此種方式多是平時最少用到的。
• 這種方式解決了最主要的；線程安全、自由串行化、單一實例。

調用方式

@Test
public void test() {
    Singleton_07.INSTANCE.test();

這種寫法在功能上與共有域方法相近，可是它更簡潔，無償地提供了串行化機制，絕對防止對此實例化，即便是在面對複雜的串行化或者反射攻擊的時候。雖然這中方法尚未普遍採用，可是單元素的枚舉類型已經成爲實現Singleton的最佳方法。

但也要知道此種方式在存在繼承場景下是不可用的。

6、總結

• 雖然只是一個很日常的單例模式，但在各類的實現上真的能夠看到java的基本功的體現，這裏包括了；懶漢、餓漢、線程是否安全、靜態類、內部類、加鎖、串行化等等。
• 在平時的開發中若是能夠確保此類是全局可用不須要作懶加載，那麼直接建立並給外部調用便可。但若是是不少的類，有些須要在用戶觸發必定的條件後(遊戲關卡)才顯示，那麼必定要用懶加載。線程的安全上能夠按需選擇。
• 建議在學習的過程當中必定要加以實踐，不然很難完完整整的掌握一整套的知識體系。例如案例中的出現的Effective Java一書也很是建議你們閱讀。另外推薦下這位大神的Github：https://github.com/jbloch

7、推薦閱讀

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