Java设计模式(一)---单例模式

2018-11-15 2989 words 6 minutes

Contents

本文主要介绍了设计模式的六大原则，并结合实例描述了各种单例模式的具体实现和性能分析测试。包括：饿汉式、静态内部类、懒汉式、双重校验锁、枚举等。

1. 设计模式的六大原则

1、开闭原则（Open Close Principle）

开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。

2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

其官方描述比较抽象，可自行百度。实际上可以这样理解：
（1）子类的能力必须大于等于父类，即父类可以使用的方法，子类都可以使用。
（2）返回值也是同样的道理。假设一个父类方法返回一个List，子类返回一个ArrayList，这当然可以。如果父类方法返回一个ArrayList，子类返回一个List，就说不通了。这里子类返回值的能力是比父类小的。
（3）还有抛出异常的情况。任何子类方法可以声明抛出父类方法声明异常的子类。而不能声明抛出父类没有声明的异常。

3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）

这个是开闭原则的基础，具体内容：面向接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）

这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。

5、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）

为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。

6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）

原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

Java 中一般认为有 23 种设计模式，总体来说设计模式分为三大类：

创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。

结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录

模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

比较常用的有：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、适配器模式、代理模式、享元模式、策略模式、观察者模式。

2. 单例模式

2.1 单例模式介绍

作用：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。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

优点： 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例。 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

应用场景： 1.配置文件访问类，不用每次使用时都new一个 2.数据库连接池保证项目中只有一个连接池存在。

2.2 单例模式实现

1. 饿汉式

/**
 *  饿汉式
 * @author illusoryCloud
 */
public class FirstSingleton {
    /**
     * 类变量在类准备阶段就初始化了然后放在<clinit>构造方法中
     * 一旦外部调用了静态方法，那么就会初始化完成。
     * 一个类的<clinit>只会执行一次 保证多线程情况下不会创建多个实例
     */
    private static final FirstSingleton INSTANCE =new FirstSingleton();

    /**
     *
     * 构造函数私有化
     */
    private FirstSingleton(){}

    /**
     *  提供公共方法以获取实例对象
     * @return instance 实例对象
     */
    public static FirstSingleton getInstance(){
        return INSTANCE ;
    }
}

这种方式实现的单例：类加载时就创建实例。由classloder保证了线程安全。

2. 静态内部类

/**
 * 静态内部类方式
 *
 * @author illusoryCloud
 */
public class SecondSingleton {

    private static class SingletonHolder {
        /**
         * 静态变量类加载时才会被创建 且只会创建一次
         */
        private static final SecondSingleton INSTANCE = new SecondSingleton();
    }

    private SecondSingleton() {
    }

    public static SecondSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

这种方式实现的单例：实现了lazy loading 使用时才创建实例，由classloder保证了线程安全。

饿汉式/静态内部类是如何保证线程安全的：

在《深入理解JAVA虚拟机》中，有这么一句话:

虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。

3. 懒汉式

/**
 * 懒汉式
 *
 * @author illusoryCloud
 */
public class ThirdSingleton {

    private static ThirdSingleton instance;

    private ThirdSingleton() {
    }

    /**
     * synchronized 保证线程安全 但效率低
     *
     * @return instance单例对象
     */
    public static synchronized ThirdSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new ThirdSingleton();
        }
        return instance;
    }

}

这种方式实现的单例：实现了lazy loading 使用时才创建实例。synchronized保证了线程安全，但效率低。

4. 双重校验锁

/**
 * 双重校验锁式
 *
 * @author illusoryCloud
 */
public class FourSingleton {
    /**
     * volatile关键字禁止指令重排序
     * 保证多线程下不会获取到未完全初始化的实例
     * 详细请阅读：https://www.lixueduan.com/posts/e7cef119.html
     */
    private static volatile FourSingleton instance;

    private FourSingleton() {
    }

    /**
     * 双重if校验 缩小synchronized代码块范围
     * 若instance不为空 就可直接return
     *
     * @return instance 实例对象
     */
    public static FourSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (FourSingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    //非原子操作
                    instance = new FourSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种方式实现的单例：实现了lazy loading 使用时才创建实例。synchronized保证了线程安全，volatile禁止指令重排序保证了多线程获取时不为空，但要JDK1.5以上才行。详细信息请阅读volatile关键字在单例模式(双重校验锁)中的作用

5. 枚举

/**
 * 枚举式
 * 序列化及反序列化安全
 * @author illusoryCloud
 */
public enum FiveSingleton {
    //定义一个枚举的元素，它就是 singleton 的一个实例
    INSTANCE;
    public void doSomeThing(FiveSingleton instance) {
        System.out.println("枚举方式实现单例");
    }

}
public class Test {

	public static void main(String[] args) {
		Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;
		singleton.doSomeThing();//output:枚举方法实现单例

	}
}

这种方式也是《Effective Java 》以及《Java与模式》的作者推荐的方式。

静态内部类和双重校验锁已经这么优秀了为什么还要有第五种枚举式呢？

因为前面4种都存在一个序列化和反序列化时的安全问题。将单例对象序列化后，在反序列化时会重新创建一个单例对象，违背了单例模式的初衷。而枚举式单例则没有这个问题，具体信息查看：枚举式单例模式与序列化

3. 性能测试

五种单例实现方式，在100个线程下，每个线程访问1千万次实例的用时.

Tables	实现方式	用时(毫秒)
1	饿汉式	13
2	懒汉式	10778
3	双重检查	15
4	静态内部类	14
5	枚举	12

(*注意:由于不同电脑之间的性能差异，测试的结果可能不同)

根据不同场合选择具体的实现方式，一般情况下我是使用的静态内部类或者DCL双重校验锁方式。

4. 总结

为什么要使用单例模式？什么场景适合使用单例模式?单例模式有什么好处

1.单例模式能够保证一个类仅有唯一的实例，避免创建多个实例。并提供一个全局访问点，优化和共享资源访问。
2.当一个对象需要频繁创建和销毁时使用单例模式能节省系统资源。

应用场景：

1.配置文件访问类，不用每次使用时都new一个
2.数据库连接池保证项目中只有一个连接池存在。

单例模式的缺点：

单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展只能修改代码。

单例模式在Java中的应用

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    /**
     * Returns the runtime object associated with the current Java application.
     * Most of the methods of class <code>Runtime</code> are instance 
     * methods and must be invoked with respect to the current runtime object. 
     * 
     * @return  the <code>Runtime</code> object associated with the current
     *          Java application.
     */
    public static Runtime getRuntime() { 
    return currentRuntime;
    }

    /** Don't let anyone else instantiate this class */
    private Runtime() {}

    ...
}

5. 参考

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

https://blog.csdn.net/qq_22706515/article/details/74202814