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【JavaEE】多线程案例-单例模式

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文章目录

  • 1. 前言
  • 2. 什么是单例模式
  • 3. 如何实现单例模式
    • 3.1 饿汉模式
    • 3.2 懒汉模式
    • 4. 解决单例模式中遇到的线程安全问题
    • 4.1 加锁
    • 4.2 加上一个判断解决频繁加锁问题
    • 4.2 解决因指令重排序造成的线程不安全问题

1. 前言

单例模式是我们面试中最常考到的设计模式。什么是设计模式呢?

设计模式是在计算机科学中,对面向对象设计中反复出现的问题的解决方案的描述。它是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。

设计模式的目的在于可重用代码、让代码更容易被他人理解、提高代码的可靠性。它们通常描述了一组相互紧密作用的类与对象,提供了讨论软件设计的公共语言,使得熟练设计者的设计经验可以被初学者和其他设计者掌握。此外,设计模式还为软件重构提供了目标。

设计模式可以根据目的分为以下三类:

  1. 创建型模式:主要用于创建对象,这些设计模式提供了一种在创建对象的同时隐藏创建逻辑的方式,而不是使用 new 运算符直接实例化对象。
  2. 结构型模式:主要用于处理类和对象的组合。
  3. 行为型模式:主要用于描述类或对象如何交互和怎样分配职责。

此外,根据范围,即模式主要是处理类之间的关系还是处理对象之间的关系,可分为类模式和对象模式两种。

2. 什么是单例模式

单例模式保证一个类在程序中只存咋一个实例,而不会创建出多个实例。就像一个人只能有一个伴侣,而不能有多个伴侣一样。

3. 如何实现单例模式

虽然我们可以自己人为的控制该类只存在一个实例,但是我们人是最不能相信的生物,所以就需要使用计算机来对我们进行约束。当我们想要创建多个实例的时候,就需要编译器做出相应的反应:抛异常或者直接结束进程等。

在Java中实现单例模式可以有两种方式:

  1. 饿汉模式
  2. 懒汉模式

3.1 饿汉模式

要想保证某个类只存在一个实例,其中一个很好的方法就是我们在定义这个类的时候就创建一个实例,并且这个实例是唯一的,当出了这个类的时候就不允许再创建该类的实例了。

class Singleton {//定义类的时候就创建一个唯一的实例private static Singleton instance = new Singleton();public static Singleton getInstance() {return instance;}
}

因为出了这个类之后不能再创建该类的实例,并且我们需要获得在该类定义时创建的实例,所以可以使用一个静态的 getInstance 方法来获得这个唯一的实例。

虽然我们创建出了这个唯一的实例,但是应该怎样保证出了这个类之后不能再创建实例了呢?

我们都知道,每次创建一个实例的时候,都会调用该类的构造方法(如果你没有实现构造方法,编译器会为你默认创建一个无参数的构造方法),所以我们可以从这个构造方法入手:将构造方法改为私有的构造方法,只有在这个类中创建实例的时候才会创建成功,出了这个类之后,如果再创建第二个实例的时候,因为构造方法是私有的,所以就会创建失败。

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

当我们想要创建多个实例的时候,看看会发生什么情况:

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当我们在写代码的时候,就会标红报错。然后我们再运行。

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所以通过上面的饿汉模式实现单例模式是可以成功的,那么我们再来看看懒汉模式如何实现单例模式。

3.2 懒汉模式

前面的为什么要叫做饿汉模式呢?因为饿汉模式定义类的时候,及创建了一个静态的实例,我们都知道静态的成员变量在类加载的时候就会被创建。这样就会导致不管我们用还是没用到这个实例,这个实例都会被创建,会造成内存和时间的浪费。而我们懒汉模式则很好的解决了这个问题,当定义类的时候,我们先不创建这个实例,而是先定义有这个实例,将这个实例赋值为null,当调用 getInstance 方法的时候,判断这个实例是否为 null,如果是 null 则创建实例,为这个实例申请空间和初始化,如果不为空则直接返回。

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

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但是这样就结束了吗?当然不是,既然是多线程的案例,那么我们肯定要考虑到线程的安全问题,那么接下来我们来看看如何解决单例模式中遇到的线程安全问题。

4. 解决单例模式中遇到的线程安全问题

饿汉模式和懒汉模式是否都会在造成线程不安全问题吗?不是的,因为饿汉模式中只有对变量的判断而没有修改操作,但是懒汉模式中当判断 instance 是否为 null 之后,还会对 instance 做出修改,如果线程中存在判断和修改操作的时候,往往会出现线程不安全问题,所以只有懒汉模式会发生线程不安全的问题。

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4.1 加锁

为了解决在判断和修改的过程中出现线程不安全的问题,需要在这个过程中进行加锁。

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

虽然我们在这个过程中进行了加锁,但是这个加锁过程并不是每次调用 getInstance 方法的时候都需要进行加锁,如果加锁频繁的话,那么我们这段代码就与高效率无缘了,只有当第一次调用 getInstance 方法的时候才需要加锁,那么我们又该如何优化这个频繁加锁问题呢?

4.2 加上一个判断解决频繁加锁问题

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

当再加上一个判断的时候,可能会有人问了,我为了创建一个实例使用了两个相同的判断,那么这个判断不显得多余吗?不多于,这两个判断完全不多余。

  • 第一个判断是判断是否需要加锁,避免频繁加锁
  • 第二个判断是为了判断是否需要创建实例

当实例已经不为 null 的时候,那么因为第一个判断,就不会进行加锁,而是直接返回 instance。

4.2 解决因指令重排序造成的线程不安全问题

只有上面的两个优化是不够的,我们都知道造成线程不安全的问题还有指令重排序的问题。可以将创建实例的过程细分为三个步骤:

  1. 向内存申请空间
  2. 调用构造方法对该内存进行初始化
  3. 将该内存赋值给 instance

如果在创建实例的过程中发生了指令重排序,线程 t1 执行的本应该的顺序为1、2、3,但是却重排序成了1、3、2,那么当线程 t2 和线程 t1 并发执行的时候,就会将没有初始化的引用给返回,从而会出现比较严重的后果。

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所以为了解决指令重排序而发生的线程不安全问题,我们需要使用 volatile 来保证内存的可见性,防止出现指令重排序的发生。

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

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有了这三个优化,才真正保证了单例模式的安全进行。

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