设计模式の单列模式

设计模式の单列模式

所谓单列模式

单列模式是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并对外提供一个全局的访问点

比如：ServletContext、SeevletContextConfig、ApplicationContext、数据库连接池 ......

但创建单列的方式有很多种，下面我们一一来学习

饿汉式单列

饿汉式适用在单例对象较少的情况，Spring 中 IOC 容器 ApplicationContext 本身就是典型的饿汉式单例

懒汉式单列

在上面的图中，我们说他的缺点，只能在单线程中使用，

• 下面我们就用手动控制多线程运行进度的方式来破解这种单列

道高一尺，魔高一丈，居然大家都知道这种破解方法了，那就只有进化了：synchronized

• 要想使得懒汉式在多线程环境下保证自己的单列，那就只有让那个判断变为线程同步方法了

我们再次开启线程调试模式进行debug

• 我们发现当两个线程都被我们同步控制到 getInstance()方法时，一个线程显示为running,一个线程状态显示为monitor(阻塞)

• 直到我们第一个县城执行完，返回的时候，第二个线程状态才变更为running,此时再判断singleton3 == null 明显就是false了，保证了单列

• 但是如果我们的服务的线程并发情况比较严重，那么获得该实列的成本就高了起来，线程阻塞情况逐渐严重

• 完美版本，兼顾多线程环境，性能得到保证：双重检查锁

• 第一次判断，并发线程都可以进入，即使全部判断为true

• 其中一个线程获得块级锁synchronized执行权，进行执行，进入其中，再次判断也为true,创建对象并返回

• 其他同步并发线程依次进入块级锁synchronized,再次进行判断，结果为false，直接返回

• 除了初始化的时候会出现加锁的情况，后续的所有调用都会避免加锁而直接返回，解决了性能消耗的问题

• 这其中涉及到一个关键字：volatile

为什么要加引用修饰符：volatile

• singleton3 = new Singleton3(); 这行代码对于JVM而言可以依次分解为三步

  1. 分配内存空间

  2. 初始化对象

  3. 将对象引用指向刚分配的内存空间

• 为了提高程序执行性能，编译器和处理器会对指令的处理过程进行：重排序机制

• 上面依次执行三步，2和3就变换了位置，这或许就是真正的懒吧

  1. 分配内存空间

  2. 将对象引用指向刚分配的内存空间

  3. 初始化对象

• 如果我们的对象引用 singleton3 没有加 volatile 关键字，这个单列可能就被破坏了

• 试想

  • A、B两个线程同时进入第一次 if (singleton3 == null) ,均拿到为true的结果

  • A分配到了CPU执行权，进入块级锁，

    • 这时发生了重排序机制，初始化对象这一步变成了第三步 ， 还没执行完，方法返回了，释放锁

    • B线程进入块级锁，再次判断，if (singleton3 == null) ，也得到结果为：true,再次创建对象返回

    • 单列模式被破坏，GG

• 经过volatile修饰的变量，如果一个线程修改了该变量的值，会立刻刷新到主内存区域，其他线程要读该变量的值，必须要写完之后。

• 也就是B线程在第二次判断if (singleton3 == null)时，必须等到线程A对该变量写完初始化成功后再读取

  • 于是 if (singleton3 == null) 就会得到结果为false,直接返回线程A创建的对象实列

静态内部类单列

反射破解单列

就拿我们目前为止觉得很OK的静态内部类单列，我们来破解他的单列

可以发现我们是通过强制访问 Singleton7 无参构造来实现的暴力初始化，为了防止他暴力访问无参方法创建实例，咱也来写一把牛逼的代码

• 我们在私有的构造方法中加点颜色，防止他暴力访问

序列化破解单列

当我们将一个单例对象创建好，然后序列化为字符串，然后再将字符串反序列化为对象

• 反序列化后的对象会重新分配内存， 即重新创建，单列又被破坏了哦

序列化的方式分为很多种，上面我们使用三方库的方式将其序列化为字符串，然后再反序列化为对象，可见单列已经被破坏

网上还有一种序列化方式是可以防止单列被破坏的：下面我们来大概看一下

• 将创建好的单列对象通过IO流，刷盘到磁盘中，然后再通过IO流去读取

• 至于原因是什么，大家可以去看看ObjectInputStream的readObject()方法的源码

  • JDK中，通过明文指定名为readResolve属性，反射得到该方法，如果该方法存在，则返回该方法返回的实列作为反序列化的引用

  • 如果该方法不存在，则会从新创建一个新的对象，并完成分配内存、初始化对象、将对象引用指向刚分配的内存空间的过程

注册式单列（枚举）

注册式单例有两种写法：一种为枚举登记，一种为容器缓存

此外，当我们使用序列化的方式尝试破坏枚举的单列时，是不行的，通过反射的方式爱破坏也是不行的

枚举的方式是一种推荐的单列模式的实现方式

注册式单列（容器缓存）

容器式写法适用于创建实例非常多的情况，便于管理。但是，是非线程安全的

public class ContainerSingleton {
    private ContainerSingleton(){}
    private static Map<String,Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String,Object>();
    public static Object getBean(String className){
        synchronized (ioc) {
            if (!ioc.containsKey(className)) {
                Object obj = null;
                try {
                    obj = Class.forName(className).newInstance();
                    ioc.put(className, obj); 
                }catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                return obj;
            } else {
                return ioc.get(className);
            }
        }
    }
}

ThreadLocal线程单列

ThreadLocal 不能保证其 创建的对象是全局唯一，但是能保证在单个线程中是唯一的

那么ThreadLocal又是如何保证线程隔离的呢

ThreadLocal将所有的对象全部放在 ThreadLocalMap 中，为每个线程都提供一个对象，实际上是以 空间换时间来实现线程间隔离的

总结

单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存开销；可以避免对资源的多重占用。