Java開發(fā)的23種涉及模式

2019-11-11 06:42:28

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

在GoF的23種設(shè)計模式中，單例模式是比較簡單的一種。然而，有時候越是簡單的東西越容易出現(xiàn)問題。下面就單例設(shè)計模式詳細的探討一下。所謂單例模式，簡單來說，就是在整個應(yīng)用中保證只有一個類的實例存在。就像是java Web中的application，也就是提供了一個全局變量，用處相當廣泛，比如保存全局數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全局性的操作等。 1. 最簡單的實現(xiàn) 首先，能夠想到的最簡單的實現(xiàn)是，把類的構(gòu)造函數(shù)寫成PRivate的，從而保證別的類不能實例化此類，然后在類中提供一個靜態(tài)的實例并能夠返回給使用者。這樣，使用者就可以通過這個引用使用到這個類的實例了。 public class SingletonClass { private static final SingletonClass instance = new SingletonClass(); public static SingletonClass getInstance() { return instance; } private SingletonClass() { } } 如上例，外部使用者如果需要使用SingletonClass的實例，只能通過getInstance()方法，并且它的構(gòu)造方法是private的，這樣就保證了只能有一個對象存在。 2. 性能優(yōu)化——lazy loaded 上面的代碼雖然簡單，但是有一個問題——無論這個類是否被使用，都會創(chuàng)建一個instance對象。如果這個創(chuàng)建過程很耗時，比如需要連接10000次數(shù)據(jù)庫(夸張了…:-))，并且這個類還并不一定會被使用，那么這個創(chuàng)建過程就是無用的。怎么辦呢？為了解決這個問題，我們想到了新的解決方案： public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { if(instance == null) { instance = new SingletonClass(); } return instance; } private SingletonClass() { } } 代碼的變化有兩處——首先，把instance初始化為null，直到第一次使用的時候通過判斷是否為null來創(chuàng)建對象。因為創(chuàng)建過程不在聲明處，所以那個final的修飾必須去掉。我們來想象一下這個過程。要使用SingletonClass，調(diào)用getInstance()方法。第一次的時候發(fā)現(xiàn)instance是null，然后就新建一個對象，返回出去；第二次再使用的時候，因為這個instance是static的，所以已經(jīng)不是null了，因此不會再創(chuàng)建對象，直接將其返回。這個過程就成為lazy loaded，也就是遲加載——直到使用的時候才進行加載。 3. 同步上面的代碼很清楚，也很簡單。然而就像那句名言：“80%的錯誤都是由20%代碼優(yōu)化引起的”。單線程下，這段代碼沒有什么問題，可是如果是多線程，麻煩就來了。我們來分析一下：線程A希望使用SingletonClass，調(diào)用getInstance()方法。因為是第一次調(diào)用，A就發(fā)現(xiàn)instance是null的，于是它開始創(chuàng)建實例，就在這個時候，CPU發(fā)生時間片切換，線程B開始執(zhí)行，它要使用SingletonClass，調(diào)用getInstance()方法，同樣檢測到instance是null——注意，這是在A檢測完之后切換的，也就是說A并沒有來得及創(chuàng)建對象——因此B開始創(chuàng)建。B創(chuàng)建完成后，切換到A繼續(xù)執(zhí)行，因為它已經(jīng)檢測完了，所以A不會再檢測一遍，它會直接創(chuàng)建對象。這樣，線程A和B各自擁有一個SingletonClass的對象——單例失敗！解決的方法也很簡單，那就是加鎖： public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public synchronized static SingletonClass getInstance() { if(instance == null) { instance = new SingletonClass(); } return instance; } private SingletonClass() { } } 是要getInstance()加上同步鎖，一個線程必須等待另外一個線程創(chuàng)建完成后才能使用這個方法，這就保證了單例的唯一性。 4. 又是性能上面的代碼又是很清楚很簡單的，然而，簡單的東西往往不夠理想。這段代碼毫無疑問存在性能的問題——synchronized修飾的同步塊可是要比一般的代碼段慢上幾倍的！如果存在很多次getInstance()的調(diào)用，那性能問題就不得不考慮了！讓我們來分析一下，究竟是整個方法都必須加鎖，還是僅僅其中某一句加鎖就足夠了？我們?yōu)槭裁匆渔i呢？分析一下出現(xiàn)lazy loaded的那種情形的原因。原因就是檢測null的操作和創(chuàng)建對象的操作分離了。如果這兩個操作能夠原子地進行，那么單例就已經(jīng)保證了。于是，我們開始修改代碼： public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { synchronized (SingletonClass.class) { if(instance == null) { instance = new SingletonClass(); } } return instance; } private SingletonClass() { } } 首先去掉getInstance()的同步操作，然后把同步鎖加載if語句上。但是這樣的修改起不到任何作用：因為每次調(diào)用getInstance()的時候必然要同步，性能問題還是存在。如果……如果我們事先判斷一下是不是為null再去同步呢？ public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { if (instance == null) { synchronized (SingletonClass.class) { if (instance == null) { instance = new SingletonClass(); } } } return instance; } private SingletonClass() { } } 還有問題嗎？首先判斷instance是不是為null，如果為null，加鎖初始化；如果不為null，直接返回instance。這就是double-checked locking設(shè)計實現(xiàn)單例模式。到此為止，一切都很完美。我們用一種很聰明的方式實現(xiàn)了單例模式。 5. 從源頭檢查下面我們開始說編譯原理。所謂編譯，就是把源代碼“翻譯”成目標代碼——大多數(shù)是指機器代碼——的過程。針對Java，它的目標代碼不是本地機器代碼，而是虛擬機代碼。編譯原理里面有一個很重要的內(nèi)容是編譯器優(yōu)化。所謂編譯器優(yōu)化是指，在不改變原來語義的情況下，通過調(diào)整語句順序，來讓程序運行的更快。這個過程成為reorder。要知道，JVM只是一個標準，并不是實現(xiàn)。JVM中并沒有規(guī)定有關(guān)編譯器優(yōu)化的內(nèi)容，也就是說，JVM實現(xiàn)可以自由的進行編譯器優(yōu)化。下面來想一下，創(chuàng)建一個變量需要哪些步驟呢？一個是申請一塊內(nèi)存，調(diào)用構(gòu)造方法進行初始化操作，另一個是分配一個指針指向這塊內(nèi)存。這兩個操作誰在前誰在后呢？JVM規(guī)范并沒有規(guī)定。那么就存在這么一種情況，JVM是先開辟出一塊內(nèi)存，然后把指針指向這塊內(nèi)存，最后調(diào)用構(gòu)造方法進行初始化。下面我們來考慮這么一種情況：線程A開始創(chuàng)建SingletonClass的實例，此時線程B調(diào)用了getInstance()方法，首先判斷instance是否為null。按照我們上面所說的內(nèi)存模型，A已經(jīng)把instance指向了那塊內(nèi)存，只是還沒有調(diào)用構(gòu)造方法，因此B檢測到instance不為null，于是直接把instance返回了——問題出現(xiàn)了，盡管instance不為null，但它并沒有構(gòu)造完成，就像一套房子已經(jīng)給了你鑰匙，但你并不能住進去，因為里面還沒有收拾。此時，如果B在A將instance構(gòu)造完成之前就是用了這個實例，程序就會出現(xiàn)錯誤了！于是，我們想到了下面的代碼： public class SingletonClass { private static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { if (instance == null) { SingletonClass sc; synchronized (SingletonClass.class) { sc = instance; if (sc == null) { synchronized (SingletonClass.class) { if(sc == null) { sc = new SingletonClass(); } } instance = sc; } } } return instance; } private SingletonClass() { } } 我們在第一個同步塊里面創(chuàng)建一個臨時變量，然后使用這個臨時變量進行對象的創(chuàng)建，并且在最后把instance指針臨時變量的內(nèi)存空間。寫出這種代碼基于以下思想，即synchronized會起到一個代碼屏蔽的作用，同步塊里面的代碼和外部的代碼沒有聯(lián)系。因此，在外部的同步塊里面對臨時變量sc進行操作并不影響instance，所以外部類在instance=sc;之前檢測instance的時候，結(jié)果instance依然是null。不過，這種想法完全是錯誤的！同步塊的釋放保證在此之前——也就是同步塊里面——的操作必須完成，但是并不保證同步塊之后的操作不能因編譯器優(yōu)化而調(diào)換到同步塊結(jié)束之前進行。因此，編譯器完全可以把instance=sc;這句移到內(nèi)部同步塊里面執(zhí)行。這樣，程序又是錯誤的了！ 6. 解決方案說了這么多，難道單例沒有辦法在Java中實現(xiàn)嗎？其實不然！在JDK 5之后，Java使用了新的內(nèi)存模型。volatile關(guān)鍵字有了明確的語義——在JDK1.5之前，volatile是個關(guān)鍵字，但是并沒有明確的規(guī)定其用途——被volatile修飾的寫變量不能和之前的讀寫代碼調(diào)整，讀變量不能和之后的讀寫代碼調(diào)整！因此，只要我們簡單的把instance加上volatile關(guān)鍵字就可以了。 public class SingletonClass { private volatile static SingletonClass instance = null; public static SingletonClass getInstance() { if (instance == null) { synchronized (SingletonClass.class) { if(instance == null) { instance = new SingletonClass(); } } } return instance; } private SingletonClass() { } } 然而，這只是JDK1.5之后的Java的解決方案，那之前版本呢？其實，還有另外的一種解決方案，并不會受到Java版本的影響： public class SingletonClass { private static class SingletonClassInstance { private static final SingletonClass instance = new SingletonClass(); } public static SingletonClass getInstance() { return SingletonClassInstance.instance; } private SingletonClass() { } } 在這一版本的單例模式實現(xiàn)代碼中，我們使用了Java的靜態(tài)內(nèi)部類。這一技術(shù)是被JVM明確說明了的，因此不存在任何二義性。在這段代碼中，因為SingletonClass沒有static的屬性，因此并不會被初始化。直到調(diào)用getInstance()的時候，會首先加載SingletonClassInstance類，這個類有一個static的SingletonClass實例，因此需要調(diào)用SingletonClass的構(gòu)造方法，然后getInstance()將把這個內(nèi)部類的instance返回給使用者。由于這個instance是static的，因此并不會構(gòu)造多次。由于SingletonClassInstance是私有靜態(tài)內(nèi)部類，所以不會被其他類知道，同樣，static語義也要求不會有多個實例存在。并且，JSL規(guī)范定義，類的構(gòu)造必須是原子性的，非并發(fā)的，因此不需要加同步塊。同樣，由于這個構(gòu)造是并發(fā)的，所以getInstance()也并不需要加同步。至此，我們完整的了解了單例模式在Java語言中的時候，提出了兩種解決方案。個人偏向于第二種，并且Effiective Java也推薦的這種方式。

上一篇：Java設(shè)計模式概述之結(jié)構(gòu)型模式（適配器模式）

下一篇：以小故事的形式講述Java回調(diào)機制，非常有助于理解。