【JavaEE】单例模式

系统管理员 2024-02-17 13:07 14阅读 0赞

> **作者主页：[paper jie\_博客][paper jie]**
> 
> **本文作者：大家好，我是paper jie，感谢你阅读本文，欢迎一建三连哦。**
> 
> **本文于《JavaEE》专栏，本专栏是针对于大学生，编程小白精心打造的。笔者用重金(时间和精力)打造，将MySQL基础知识一网打尽，希望可以帮到读者们哦。**
> 
> **其他专栏：《MySQL》《C语言》《javaSE》《数据结构》等**
> 
> **内容分享：本期将会分享设计模式中的单例模式**

**目录**

什么是设计模式

什么是单例模式

单例模式的实现方式

饿汉模式

具体代码

代码分解

懒汉模式

懒汉模式 - 单线程

具体代码

代码分析

懒汉模式 - 多线程

问题一: 原子性

改进

问题二: 加锁带来的开销

改进

问题三: 指令重排序

改进:

--------------------

## 什么是设计模式 ##

设计模式是咱们程序猿圈子中的一些大佬写出来的,为了规范我们的代码,让我们的代码不至于写的见不得人,可以说使用设计模式就等于给了你一个下限,只要你按照这个模式来写,再怎么样也不至于水到哪去. 就可以把它理解为好比棋谱一般.给了我们一些套路,在遇到什么情况,该什么应对. 我们软件开发中就是有许多常见的问题场景,针对这些问题场景,大佬们就总结出来一些固定的套路给我们这些小萌新使用.

## 什么是单例模式 ##

单例模式它就是能保证某个类只能创建一个实例,而不能创建多个实例.这一点在很多场景中都需要使用.因为往往这类实例需要的内存空间和开销都比较大,我们就需要限制住创建实例的个数.

## 单例模式的实现方式 ##

单例模式有许多种实现的方式,不过其中最常见的就是饿汉模式和懒汉模式.

### 饿汉模式 ###

饿汉模式,顾名思义,对于创建这个实例非常迫切,在类一加载就创建好了.

#### 具体代码 ####

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

#### 代码分解 ####

**1. 这里的instance是静态属性,类属性. 是随着类的加载而创建.因为一个类只有一个类对象,类属性也只有一份,所以这里只能创建一次实例.**

![c282ef60c2de40ccab2f943aaf425176.png][]

**2. 在类外需要获取这个实例需要使用getinstance方法来获取,而不是自己再new一个.**

![09667009838b4c72b6ee1769bb0473ee.png][]

**3. 这里在类外再new一个对象会发现编译报错,这是因为这里将它的构造方法设置为私有的,在类外是访问不到.这就保证了只能创建一份实例.**

![4d427c2d3c634fee993efdc24347279c.png][]

### 懒汉模式 ###

这里懒汉模式有两种,一种单线程,一种多线程.

#### 懒汉模式 - 单线程 ####

##### 具体代码 #####

class Singleton2 {
        private static Singleton2 instance = null;
        public Singleton2 getInstance() {
            if(instance == null) {
                return new Singleton2();
            }
            return instance;
        }
        
        private Singleton2() {
            
        }
    }

##### 代码分析 #####

**这里不会在类加载的时候直接创建实例,而是将创建实例放到了方法中. 当第一个调用getinstance方法时就会创建出实例.后面再使用这个方法时因为instance不是null后就不会再创建了.**

![228207f1898c4e1e9e3d8bdf2031bad3.png][]

这样的代码也可以保证只创建一次实例. 创建实例的实例就看代码中什么时候使用这个方法.这样创建实例就不是很急迫,只有需要的时候才会创建,所以叫懒汉. **且这样有一个好处就是如果用不到这个实例它就不会创建,遮掩就省了一笔开销.要知道一般单例模式中的实例都需要占很大的内存空间的,加载的时间需要很久,这样子加载的时间省了,空间也省了.**

#### 懒汉模式 - 多线程 ####

在上述的单线程中,是没有多线程安全问题的,但是当在多线程协调工作时就会线程不安全.像饿汉模式也是线程安全的,因为它只涉及到读操作,但是懒汉模式涉及到读和写操作.这样就会有线程安全问题.

##### 问题一: 原子性 #####

我们假设有两个线程,t1和t2.它们都需要使用getinstance这样方法. 这里可能就会有一种情况: t1先执行,到t1执行到if()语句判断后它就被调度走了,这时t2调度过来执行.等t2执行完到new一个实例返回后,t1再执行.但是t1执行的时候它还是认为instance是null,于是它就又创建了一个实例.

这里就是因为这些操作没有具有原子性(当然这里是伪原子,只是针对t2这个线程来说)

![29a344fcfd3a46e7b9e228b72fb08fff.png][]

###### 改进 ######

**我们这里就需要用到我们的加锁操作了.将相关代码加锁!**

class Singleton1 {
        private static Singleton1 instance = null;
        public Singleton1 getInstance() {
            synchronized (Singleton1.class) {
                if (instance == null) {
                    return new Singleton1();
                }
                return instance;
            }
            
        }
        private Singleton1() {
        }
    }

##### 问题二: 加锁带来的开销 #####

这里看似处理了问题,但是还有其他的毛病.这里我们发现加锁操作其实只有第一次创建对象(也就是改操作)是需要的,后面的操作都不需要,但是我们还是需要进行锁竞争,这里就是导致开销比较大.

###### 改进 ######

**这里我们在外头再加上一层if判断即可. 这里的第一个if就是判断需不需要加锁,第二个if就是在加锁操作下判断有没有创建实例.**

class Singleton1 {
        private static Singleton1 instance = null;
        public Singleton1 getInstance() {
            if(instance == null) {
                synchronized (Singleton1.class) {
                    if(instance == null) {
                        return new Singleton1();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
        private Singleton1() {
        }
    }

##### 问题三: 指令重排序 #####

对于new这个代码,有三个操作: **1. 申请一块内存. 2. 在这块内存中调用构造方法来初始化这个实例. 3. 将这个内存地址赋值到instance中.**  这里一般来说我们就是按顺序执行.但是JVM中可能就会给你优化,也就是指令重排序. 可能就会出现 1 3 2这种顺序. 这里就会发生问题:

**这里也假设有t1和t2, 当t1一直执行到new操作的3后,这时就被CPU调度走了,让t2进来执行代码.当t2执行到第一个if判断时,发现instance不为null,他就直接返回了.但是这里的instance是一块没有被初始化的空间地址,这就会导致t2接下来的逻辑发生问题.**

![f048a4dd50eb4da491cd8caa1c4c89c2.png][]

###### 改进: ######

这里我们就需要用到我们的volatile.它有两个作用:

**1. 保证内存可见性. 它可以强制让JVM不进行代码优化,保证每次都到内存中读取变量.**

**2. 禁止指令重排序. 针对volatile修饰的这个变量的相关指令,JVM是不可以优化重排序的.**

class Singleton1 {
        private volatile static Singleton1 instance = null;
        public Singleton1 getInstance() {
            if(instance == null) {
                synchronized (Singleton1.class) {
                    if(instance == null) {
                        return new Singleton1();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
        private Singleton1() {
        }
    }

[paper jie]: https://blog.csdn.net/paperjie?type=blog
[c282ef60c2de40ccab2f943aaf425176.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/06/e6b6ab45b9a74e83be6f65bc7692dd2e.png
[09667009838b4c72b6ee1769bb0473ee.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/06/903f728045ea4f98a0a56e9988b0f8b6.png
[4d427c2d3c634fee993efdc24347279c.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/06/2bc641ed956541cd8dcb414ab8e300b0.png
[228207f1898c4e1e9e3d8bdf2031bad3.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/06/2ae350eac42b4c758f6d27ae492a870d.png
[29a344fcfd3a46e7b9e228b72fb08fff.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/06/0cf61f73c1e64592a093f6b26abe57a8.png
[f048a4dd50eb4da491cd8caa1c4c89c2.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/02/06/e3b40bc3c2ca4bfd9bb445f1279d9b1d.png