淺談單例模式和線程安全問題
單例模式、多實例模式、和線程安全
單例模式
單例模式是指確保一個類僅有一個唯一的實例，并且提供了一個全局的訪問點。
分類： 懶漢式、餓漢式
為什么需要單例模式？
再某些特殊的情況下，存在一個類僅能用來產(chǎn)生一個唯一對象的必要性。例如：打印機室有許多打印機，但是它的打印管理系統(tǒng)只有一個打印任務(wù)控制對象，該對象管理打印排隊并分配打印任務(wù)給各個打印機。單例模式正是為了解決這樣的需求而產(chǎn)生的。
實現(xiàn)思路：
為了防止客戶端利用構(gòu)造器創(chuàng)建多個對象，將構(gòu)造方法聲明為 private 類型。但這樣會使得這個類不可用，所以必須提供一個可以獲得實例的靜態(tài)方法，通常稱為 getInstance 方法， 該方法返回一個實例。這個方法必須是靜態(tài)的，因為靜態(tài)方法是根據(jù)類名調(diào)用的，否則也是無法使用的。
類圖：懶漢式
類圖：餓漢式
先來看一個簡單的例子：
測試單例類：Dog’
//懶漢式
public class Dog {
private static Dog dog;
private String name;
private int age;
//私有的構(gòu)造器
private Dog() {}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
//靜態(tài)工廠方法
public static Dog getInstance() {
if (dog == null) {
dog = new Dog();
}
return dog;
}
@Override
public String toString() {
return "Dog [name=" + name + ", age=" + age + "]";
}
}
測試單例類：Cat
//餓漢式
public class Cat {
private static Cat cat = new Cat();
private String name;
private int age;
//私有構(gòu)造器
private Cat() {}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
//靜態(tài)工廠方法
public static Cat getInstance() {
return cat;
}
@Override
public String toString() {
return "Cat [name=" + name + ", age=" + age + "]";
}
}
測試類
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//單線程模式測試
Dog dog1 = Dog.getInstance();
Dog dog2 = Dog.getInstance();
System.out.println("dog1 == dog2: "+(dog1 == dog2));
Cat cat1 = Cat.getInstance();
Cat cat2 = Cat.getInstance();
System.out.println("cat1 == cat2: "+(cat1 == cat2));
}
}
運行結(jié)果
懶漢式和餓漢式對比
創(chuàng)建區(qū)別
懶漢式是在第一次調(diào)用靜態(tài)方法 getInstance() 時創(chuàng)建單例對象。
餓漢式是在類加載時創(chuàng)建單例對象，即在聲明靜態(tài)單例對象時實例化單例類。
線程安全
懶漢式是線程不安全的，而餓漢式是線程安全的（下面會測試）。
資源占用
懶漢式是等到使用時才會創(chuàng)建，而餓漢式是在類加載時創(chuàng)建。所以懶漢式?jīng)]有餓漢式快，但是餓漢式比較占用資源，如果一直不使用，會很占據(jù)資源。
多線程模式下的安全性
多線程類
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
public class DogThread extends Thread{
private Dog dog;
private Set<Dog> set;
public DogThread() {
set = new HashSet<>();
}
//這個方法是為了測試添加的。
public int getCount() {
return set.size();
}
@Override
public void run() {
dog = Dog.getInstance();
set.add(dog);
}
}
多線程測試類
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//單線程模式測試
Dog dog1 = Dog.getInstance();
Dog dog2 = Dog.getInstance();
System.out.println("dog1 == dog2: "+(dog1 == dog2));
Cat cat1 = Cat.getInstance();
Cat cat2 = Cat.getInstance();
System.out.println("cat1 == cat2: "+(cat1 == cat2));
//多線程模式測試
DogThread dogThread = new DogThread();
Thread thread = null;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
thread = new Thread(dogThread);
thread.start();
}
try {
Thread.sleep(2000); //主線程等待子線程完成！
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("dog's number: "+dogThread.getCount());
}
}
運行結(jié)果
注意：多線程的結(jié)果是很難預(yù)測的，這里涉及線程的競爭，可能多次運行結(jié)果是一樣的（多次一樣并不代表是絕對正確），但是只要多次測試，就能看到不一樣的結(jié)果。
說明
這里我使用一點集合的技巧，利用 Set 集合的特性，把每次產(chǎn)生的 dog 對象存入 Set集合中，最后只要調(diào)用集合的 size() 方法就行了?？梢钥闯鰜懋a(chǎn)生了兩個 dog 對象，這就是產(chǎn)生了錯誤，這就是屬于編程錯誤了。還要明白多線程下不一定會出錯，所以產(chǎn)生的 dog 對象小于線程數(shù)。
由于 餓漢式單例 是線程安全的，這里就不測試了，有興趣的可以測試一下。
解決懶漢式單例線程安全的方法：同步
注意：同步有很多種方法，也可以使用 Lock 進行處理，同步是一種方法，不是特指 synchronzied 這個關(guān)鍵字，感興趣的人可以多探究一下。
并且同步的方法通常比較慢，性能方面也要權(quán)衡。
//靜態(tài)同步工廠方法
public synchronized static Dog getInstance() {
if (dog == null) {
dog = new Dog();
}
return dog;
}
多實例模式
這里補充一個多實例的模式，就是對象數(shù)量是固定數(shù)目的。可以看出單例模式的推廣。當然了實現(xiàn)方式也有很多，大家可以嘗試以下，這里是我的方式。
多實例模式類
//固定數(shù)目實例模式
public class MultiInstance {
//實例數(shù)量,這里為四個
private final static int INSTANCE_COUNT = 4;
private static int COUNT = 0;
private static MultiInstance[] instance = new MultiInstance[4];
private MultiInstance() {};
public static MultiInstance getInstance() {
//注意數(shù)組的下標只能為 COUNT - 1
if (MultiInstance.COUNT <= MultiInstance.INSTANCE_COUNT - 1) {
instance[MultiInstance.COUNT] = new MultiInstance();
MultiInstance.COUNT++;
}
//返回實例前，執(zhí)行了 COUNT++ 操作，所以 應(yīng)該返回上一個實例
return MultiInstance.instance[MultiInstance.COUNT-1];
}
}
測試類
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;
public class Test {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("------------------------");
testMultiInstance();
}
//測試多實例模式（單例的擴展，固定數(shù)目實例）
public static void testMultiInstance() {
Set<MultiInstance> instanceSet = new HashSet<>();
MultiInstance instance = null;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
instance = MultiInstance.getInstance();
instanceSet.add(instance);
}
System.out.println("8個實例中，不同的實例有："+instanceSet.size());
}
}
運行結(jié)果
注意：如果在多線程環(huán)境下使用，也是要考慮線程安全的。感興趣的可以自己實現(xiàn)一下。
單例模式一定是安全的嗎？
不一定，有很多方法可以破壞單例模式！
這里舉例看一看（我只能舉我知道的哈！其他的感興趣，可以去探究一下?。?br />使用反射：這種辦法是非常有用的，通過反射即使是私有的屬性和方法也可以訪問了，因此反射破壞了類的封裝性，所以使用反射還是要多多小心。但是反射也有許多其他的用途，這是一項非常有趣的技術(shù)（我也只是會一點點）。
使用反射破壞單例模式測試類
這里使用的還是前面的 Dog 實體類。注意我這里的**包名：**com。
所有的類都是在 com包 下面的。
import java.lang.reflect.Constructor;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
public class Client {
public static void main(String[] args) throws
ClassNotFoundException,
NoSuchMethodException,
SecurityException,
InstantiationException,
IllegalAccessException,
IllegalArgumentException,
InvocationTargetException {
Class<?> clazz = Class.forName("com.Dog");
Constructor<?> con = clazz.getDeclaredConstructor();
//設(shè)置可訪問權(quán)限
con.setAccessible(true);
Dog dog1 = (Dog) con.newInstance();
Dog dog2 = (Dog) con.newInstance();
System.out.println(dog1 == dog2);
}
}
說明：反射的功能是很強大的，從這里既可以看出來，正是有了反射，才使得Java 語言具有了更多的特色，這也是Java的強大之處。
使用對象序列化破壞單例模式
測試實體類：Dog（增加一個對象序列化接口實現(xiàn)）
import java.io.Serializable;
//懶漢式
public class Dog implements Serializable{
private static final long serialVersionUID = 1L;
private static Dog dog;
private String name;
private int age;
//私有的構(gòu)造器
private Dog() {}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
//靜態(tài)工廠方法
public synchronized static Dog getInstance() {
if (dog == null) {
dog = new Dog();
}
return dog;
}
@Override
public String toString() {
return "Dog [name=" + name + ", age=" + age + "]";
}
}
對象序列化測試類
import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
public class Client {
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
Dog dog1 = Dog.getInstance();
dog1.setName("小黑");
dog1.setAge(2);
System.out.println(dog1.toString());
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
oos.writeObject(dog1);
ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
Dog dog2 = (Dog) ois.readObject();
System.out.println(dog2.toString());
System.out.println("dog1 == dog2: "+(dog1 == dog2));
}
}
運行結(jié)果
說明
這里可以看出來通過對象序列化（這里也可以說是對象的深拷貝或深克隆），
同樣也可以實現(xiàn)類的實例的不唯一性。這同樣也算是破壞了類的封裝性。對象序列化和反序列化的過程中，對象的唯一性變了。
這里具體的原因很復(fù)雜，我最近看了點深拷貝的知識，所以只是知其然不知其之所以然。(所以學(xué)習(xí)是需要不斷進行的！加油諸位。)
這里我貼一下別的經(jīng)驗吧：（感興趣的可以實現(xiàn)一下?。?/p>
為什么序列化可以破壞單例了？
答：序列化會通過反射調(diào)用無參數(shù)的構(gòu)造方法創(chuàng)建一個新的對象。
這個東西目前超出了我的能力范圍了，但也是去查看源碼得出來的，就是序列化(serializable)和反序列化(externalizable)接口的詳細情況了。但是有一點，它也是通過反射來做的的，所以可以看出**反射（reflect）**是一種非常強大和危險的技術(shù)了。
總結(jié)
單例模式 是很有趣的，它涉及了很多知識，所以大家學(xué)習(xí)的時候，不要只滿足與課本的知識，如果只是會使用簡單的 單例模式，那是沒有什么核心競爭力的，任何一個知識，只要往下深究都是不容易的，我也只是一個初學(xué)者，希望和大家一起努力進步。
到此這篇關(guān)于淺談單例模式和線程安全問題的文章就介紹到這了,更多相關(guān)單例模式和線程安全內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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