用一個通俗易懂的例子徹底說清楚單例模式

智慧zhuhuix發表於2020-06-02

單例模式

一、背景

在企業網站後臺系統中，一般會將網站統計單元進行獨立設計，比如登入人數的統計、IP數量的計數等。在這類需要完成全域性統計的過程中，就會用到單例模式，即整個系統只需要擁有一個計數的全域性物件。
在網站登入這個高併發場景下，由這個全域性物件負責統計當前網站的登入人數、IP等，即節約了網站伺服器的資源，又能保證計數的準確性。

二、單例模式

1、概念

單例模式是最常見的設計模式之一，也是整個設計模式中最簡單的模式之一。

單例模式需確保這個類只有一個例項，而且自行例項化並向整個系統提供這個例項；這個類也稱為單例類，提供全域性訪問的方法。

單例模式有三大要點：

構造方法私有化；
-- private Singleton() { }
例項化的變數引用私有化；
-- private static final Singleton APP_INSTANCE = new Singleton();
獲取例項的方法共有
-- public static SimpleSingleton getInstance() {
-- return APP_INSTANCE;
-- }

2、網站計數的單例實現

實現單例模式有多種寫法，這裡我們只列舉其中最常用的三種實現方式，且考慮到網站登入高併發場景下，將重點關注多執行緒環境下的安全問題。
在這裡插入圖片描述

登入執行緒的實現
我們先建立一個登入執行緒類，用於登入及登入成功後呼叫單例物件進行計數。

/**
 * 單例模式的應用--登入執行緒
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class Login implements Runnable {
	// 登入名稱
    private String loginName;

    public String getLoginName() {
        return loginName;
    }

    public void setLoginName(String loginName) {
        this.loginName = loginName;
    }

    @Override
    public void run() {
		// TODO 
		// 登入成功後呼叫單例物件進行計數
    }
}

主程式的實現
編寫一個主程式，利用多執行緒技術模擬10個使用者併發登入，完成登入後輸出登入人次計數。

/**
 * 單例模式--主程式
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class App {
    public final static int num = 10;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[num];

        for (int i = 0; i < num; i++) {
            Login login = new Login();
            login.setLoginName("" + String.format("%2s", (i + 1)) + "號使用者");
            threads[i] = new Thread(login);
            threads[i].start();
        }

        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].join();
        }

		// TODO
		// 呼叫單例物件輸出登入人數統計
}

2.1 餓漢模式

在程式啟動之初就進行建立（不管三七二十一，先建立出來再說）。
天生的執行緒安全。
無論程式中是否用到該單例類都會存在。

/**
 * 餓漢式單例模式
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class SimpleSingleton implements Serializable {
    // 單例物件
    private static final SimpleSingleton APP_INSTANCE = new SimpleSingleton();
    // 計數器
    private AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    // 單例模式必須保證預設構造方法為私有型別
    private SimpleSingleton() {
    }

    public static SimpleSingleton getInstance() {
        return APP_INSTANCE;
    }

    public AtomicLong getCount() {
        return count;
    }

    public void setCount() {
        count.addAndGet(1);
    }

}

我們將餓漢模式的單例物件加入進登入執行緒及主程式中進行測試：

/**
 * 單例模式的應用--登入執行緒
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class Login implements Runnable {
    // 登入名稱
    private String loginName;

    public String getLoginName() {
        return loginName;
    }

    public void setLoginName(String loginName) {
        this.loginName = loginName;
    }

    @Override
    public void run() {
    	// 餓漢式單例
        SimpleSingleton simpleSingleton=  SimpleSingleton.getInstance();
        simpleSingleton.setCount();
        System.out.println(getLoginName()+"登入成功:"+simpleSingleton.toString());
    }

}

/**
 * 單例模式--主程式
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class App {
    public final static int num = 10;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[num];
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            Login login = new Login();
            login.setLoginName("" + String.format("%2s", (i + 1)) + "號使用者");
            threads[i] = new Thread(login);
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].join();
        }
        System.out.println("網站共有"+SimpleSingleton.getInstance().getCount()+"個使用者登入");

    }
}

輸出如下：
10個執行緒併發登入過程中，獲取到了同一個物件引用地址，即該單例模式是有效的。
在這裡插入圖片描述

2.2 懶漢模式

在初始化時只進行定義。
只有在程式中呼叫了該單例類，才會完成例項化（沒人動我，我才懶得動）。
需通過執行緒同步技術才能保證執行緒安全。

我們先看下未使用執行緒同步技術的例子：

/**
 * 懶漢式單例模式--未應用執行緒同步技術
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class LazySingleton {
    // 單例物件
    private static LazySingleton APP_INSTANCE;
    // 計數器
    private AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    // 單例模式必須保證預設構造方法為私有型別
    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (APP_INSTANCE == null) {
            APP_INSTANCE = new LazySingleton();
        }
        return APP_INSTANCE;
    }

    public AtomicLong getCount() {
        return count;
    }

    public void setCount() {
        count.addAndGet(1);
    }

  }

/**
 * 單例模式的應用--登入執行緒
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class Login implements Runnable {
   
	....
    @Override
    public void run() {
		// 餓漢式單例
        LazySingleton lazySingleton =LazySingleton.getInstance();
        lazySingleton.setCount();
        System.out.println(getLoginName()+"登入成功:"+lazySingleton);
    }

}

/**
 * 單例模式--主程式-
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class App {
    public final static int num = 10;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[num];
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            Login login = new Login();
            login.setLoginName("" + String.format("%2s", (i + 1)) + "號使用者");
            threads[i] = new Thread(login);
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].join();
        }
        System.out.println("網站共有" + LazySingleton.getInstance().getCount() + "個使用者登入");
    }
}

輸出結果：
10個執行緒併發登入過程中，獲取到了四個物件引用地址，該單例模式失效了。
在這裡插入圖片描述
對程式碼進行分析：

// 未使用執行緒同步
public static LazySingleton getInstance() {
		// 在多個執行緒併發時，可能會有多個執行緒同時進入 if 語句，導致產生多個例項
        if (APP_INSTANCE == null) {
            APP_INSTANCE = new LazySingleton();
        }
        return APP_INSTANCE;
    }

我們使用執行緒同步技術對懶漢式模式進行改進：

/**
 * 懶漢式單例模式
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class LazySingleton {
    // 單例物件 ,加入volatile關鍵字進行修飾
    private static volatile LazySingleton APP_INSTANCE;
    // 計數器
    private AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    // 單例模式必須保證預設構造方法為私有型別
    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (APP_INSTANCE == null) {
            // 對類進行加鎖，並進行雙重檢查
            synchronized (LazySingleton.class) {
                if (APP_INSTANCE == null) {
                    APP_INSTANCE = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return APP_INSTANCE;
    }

    public AtomicLong getCount() {
        return count;
    }

    public void setCount() {
        count.addAndGet(1);
    }

  }

再測試執行：
10個執行緒併發登入過程中，獲取到了同一個物件引用地址，即該單例模式有效了。
在這裡插入圖片描述

2.3 列舉類實現單例模式

《Effective Java》推薦使用列舉的方式解決單例模式。這種方式解決了最主要的；執行緒安全、自由序列化、單一例項。

/**
 * 利用列舉類實現單例模式
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public enum EnumSingleton implements Serializable {
    // 單例物件
    APP_INSTANCE;
    // 計數器
    private AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    // 單例模式必須保證預設構造方法為私有型別
    private EnumSingleton() {
    }

    public AtomicLong getCount() {
        return count;
    }

    public void setCount() {
        count.addAndGet(1);
    }
    
}

/**
 * 單例模式的應用--登入執行緒
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class Login implements Runnable {
    ...
    @Override
    public void run() {
         EnumSingleton enumSingleton = EnumSingleton.APP_INSTANCE;
         enumSingleton.setCount();
        System.out.println(getLoginName()+"登入成功:"+enumSingleton.toString());

    }
}

/**
 * 單例模式--主程式
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class App {
    public final static int num = 10;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[num];
        for (int i = 0; i < num; i++) {
            Login login = new Login();
            login.setLoginName("" + String.format("%2s", (i + 1)) + "號使用者");
            threads[i] = new Thread(login);
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].join();
        }
         System.out.println("網站共有"+EnumSingleton.APP_INSTANCE.getCount()+"個使用者登入");

    }
}

輸出如下：
10個執行緒併發登入過程中，該單例模式是有效的。
在這裡插入圖片描述

三、總結

文中首先說明了單例模式在網站計數的應用：建立唯一的全域性物件實現統計單元的計數。
根據該需求，建立了Login登入執行緒類及App主程式，模擬多使用者同步併發登入。
分別設計了餓漢模式、懶漢模式、列舉類三種不同的實現單例模式的方式。
在設計單例模式的過程中，特別要注意執行緒同步安全的問題，文中以懶漢模式列出了執行緒不同步的實際例子。
延伸思考：《Effective Java》為什麼說實現單例模式的最佳方案是單元素列舉型別？

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