一個單例模式，沒必要這么卷吧
老貓的設(shè)計模式專欄已經(jīng)偷偷發(fā)車了。不甘愿做crud boy？看了好幾遍的設(shè)計模式還記不住？那就不要刻意記了，跟上老貓的步伐，在一個個有趣的職場故事中領(lǐng)悟設(shè)計模式的精髓。還等什么？趕緊上車吧
如果把系統(tǒng)軟件比喻成江湖的話，那么設(shè)計原則絕對是OO程序員的武功心法，而設(shè)計模式絕對是招式。光知道心法是沒有用的，還是得配合招式。只有心法招式合二為一，遇到強敵（“坑爹系統(tǒng)”）才能見招拆招，百戰(zhàn)百勝。
故事
之前讓小貓梳理的業(yè)務(wù)流程以及代碼流程基本已經(jīng)梳理完畢【系統(tǒng)梳理大法&代碼梳理大法】。從代碼側(cè)而言也搞清楚了系統(tǒng)臃腫的原因【違背設(shè)計原則】。小貓逐漸步入正軌，他決定從一些簡單的業(yè)務(wù)場景入手，開始著手優(yōu)化系統(tǒng)代碼。那么什么樣的業(yè)務(wù)代碼，動了之后影響最小呢？小貓看了看，打算就從泛濫創(chuàng)建的線程池著手吧，他打算用單例模式做一次重構(gòu)。
在小貓接手的系統(tǒng)中，線程池的創(chuàng)建基本是想在哪個類用多線程就在那個類中直接創(chuàng)建。所以基本上很多service服務(wù)類中都有創(chuàng)建線程池的影子。
寫在前面
遇到上述小貓的這種情況，我們的思路是采用單例模式進行提取公共線程池執(zhí)行器，然后根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型使用工廠模式進行分類管理。
接下來，我們就單例模式開始吧。
概要
單例模式定義
單例模式(Singleton)又叫單態(tài)模式，它出現(xiàn)目的是為了保證一個類在系統(tǒng)中只有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點。從這點可以看出，單例模式的出現(xiàn)是為了可以保證系統(tǒng)中一個類只有一個實例而且該實例又易于外界訪問，從而方便對實例個數(shù)的控制并節(jié)約系統(tǒng)資源而出現(xiàn)的解決方案。如下圖：
單例模式簡單示意圖
餓漢式單例模式
什么叫做餓漢式單例？為了方便記憶，老貓是這么理解的，餓漢給人的形象就是有食物就迫不及待地去吃的形象。那么餓漢式單例模式的形象也就是當(dāng)類創(chuàng)建的時候就迫不及待地去創(chuàng)建單例對象，這種單例模式是絕對線程安全的，因為這種模式在尚未產(chǎn)生線程之前就已經(jīng)創(chuàng)建了單例。
看一下示例，如下：
/**
* 公眾號：程序員老貓
* 餓漢單例模式
*/
public class HungrySingleton {
private static final HungrySingleton HUNGRY_SINGLETON = new HungrySingleton();
//構(gòu)造函數(shù)私有化，保證不被new方式多次創(chuàng)建新對象
private HungrySingleton() {
}
public static HungrySingleton getInstance(){
return HUNGRY_SINGLETON;
}
}我們看一下上述案例的優(yōu)缺點：
- 優(yōu)點：線程安全，類加載時完成初始化,獲取對象的速度較快。
- 缺點：由于類加載的時候就完成了對象的創(chuàng)建，有的時候我們無需調(diào)用的情況下，對象已經(jīng)存在，這樣的話就會造成內(nèi)存浪費。
當(dāng)前硬件和服務(wù)器的發(fā)展，快于軟件的發(fā)展，另外的，微服務(wù)和集群化部署，大大降低了橫向擴展的門檻和成本，所以老貓覺得當(dāng)前的內(nèi)存其實是不值錢的，所以上述這種單例模式硬說其缺點有多嚴重其實也不然，個人覺得這種模式用于實際開發(fā)過程中其實是沒有問題的。
其實在我們?nèi)粘Ｊ褂玫膕pring框架中，IOC容器本身就是一個餓漢式單例模式，spring啟動的時候就將對象加載到了內(nèi)存中，這里咱們不做展開，等到后續(xù)咱們梳理到spring源代碼的時候再展開來說。
懶漢式單例模式
上述餓漢單例模式我們說它的缺點是浪費內(nèi)存，因為其在類加載的時候就創(chuàng)建了對象，那么針對這種內(nèi)存浪費的解決方案，我們就有了“懶漢模式”。對于這種類型的單例模式，老貓是這么理解的，懶漢的定義給人的直觀感覺是懶惰、拖延。那么對應(yīng)的模式上來說，這種方案創(chuàng)建對象的方法也是在程序使用對象前，先判斷該對象是否已經(jīng)實例化（判空），若已實例化直接返回該類對象，否則則先執(zhí)行實例化操作。
看一下示例，如下：
/**
* 公眾號：程序員老貓
* 懶漢式單例模式
*/
public class LazySingleton {
private LazySingleton() {
}
private static LazySingleton lazySingleton = null;
public static LazySingleton getInstance() {
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}上面這種單例模式創(chuàng)建對象，內(nèi)存問題看起來是已經(jīng)解決了，但是這種創(chuàng)建方式真的就線程安全了么？咱們接下來寫個簡單的測試demo：
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Thread thread1 = new Thread(()->{
LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
System.out.println(lazySingleton.toString());
});
Thread thread2 = new Thread(()->{
LazySingleton lazySingleton = LazySingleton.getInstance();
System.out.println(lazySingleton.toString());
});
thread1.start();
thread2.start();
System.out.println("end");
}
}執(zhí)行輸出結(jié)果如下：
end
LazySingleton@3fde6a42
LazySingleton@2648fc3a從上述的輸出中我們很容易地發(fā)現(xiàn)，兩個線程中所獲取的對象是不同的，當(dāng)然這個是有一定概率性質(zhì)的。所以在這種多線程請求的場景下，就出現(xiàn)了線程安全性問題。
聊到共享變量訪問線程安全性的問題，我們往往就想到了鎖，所以，咱們在原有的代碼塊上加上鎖對其優(yōu)化試試，我們首先想到的是給方法代碼塊加上鎖。
加鎖后代碼如下：
public class LazySingleton {
private LazySingleton() {
}
private static LazySingleton lazySingleton = null;
public synchronized static LazySingleton getInstance() {
if (lazySingleton == null) {
lazySingleton = new LazySingleton();
}
return lazySingleton;
}
}經(jīng)過上述同樣的測試類運行之后，我們發(fā)現(xiàn)問題似乎解決了，每次運行之后得到的結(jié)果，兩個線程對象的輸出都是一致的。
我們用線程debug的方式看一下具體的運行情況，如下圖：
線程輸出
我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個線程進行初始化實例時，另一個線程就會從Running狀態(tài)自動變成了Monitor狀態(tài)。試想一下，如果有大量的線程同時訪問的時候，在這樣一個鎖的爭奪過程中就會有很多的線程被掛起為Monitor狀態(tài)。CPU壓力隨著線程數(shù)的增加而持續(xù)增加，顯然這種實現(xiàn)對性能還是很有影響的。
那還有優(yōu)化的空間么？當(dāng)然有，那就是大家經(jīng)常聽到的“DCL”即“Double Check Lock” 實現(xiàn)如下：
/**
* 公眾號：程序員老貓
* 懶漢式單例模式(DCL)
* Double Check Lock
*/
public class LazySingleton {
private LazySingleton() {
}
//使用volatile防止指令重排
private volatile static LazySingleton lazySingleton = null;
public static LazySingleton getInstance() {
if (lazySingleton == null) {
synchronized (LazySingleton.class) {
if(lazySingleton == null){
lazySingleton = new LazySingleton();
}
}
}
return lazySingleton;
}
}通過DEBUG，我們來看一下下圖：
雙重校驗鎖
這里引申一個常見的問題，大家在面試的時候估計也會碰到。問題：為什么要double check？去掉第二次check行不行？
回答：當(dāng)2個線程同時執(zhí)行g(shù)etInstance方法時，都會執(zhí)行第一個if判斷，由于鎖機制的存在，會有一個線程先進入同步語句，而另一個線程等待，當(dāng)?shù)谝粋€線程執(zhí)行了new Singleton()之后，就會退出synchronized的保護區(qū)域，這時如果沒有第二重if判斷，那么第二個線程也會創(chuàng)建一個實例，這就破壞了單例。
問題：這里為什么要加上volatile修飾關(guān)鍵字？回答：這里加上該關(guān)鍵字主要是為了防止"指令重排"。關(guān)于“指令重排”具體產(chǎn)生的原因我們這里不做細究，有興趣的小伙伴可以自己去研究一下，我們這里只是去分析一下，“指令重排”所帶來的影響。
lazySingleton = new LazySingleton();這樣一個看似簡單的動作，其實從JVM層來看并不是一個原子性的行為，這里其實發(fā)生了三件事：
- 給LazySingleton分配內(nèi)存空間。
- 調(diào)用LazySingleton的構(gòu)造函數(shù)，初始化成員字段。
- 將LazySingleton指向分配的內(nèi)存空間(注意此時的LazySingleton就不是null了)
在此期間存在著指令重排序的優(yōu)化，第2、3步的順序是不能保證的，最后的執(zhí)行順序可能是1-2-3，也可能是1-3-2，假如執(zhí)行順序是1-3-2，我們看看會出現(xiàn)什么問題?？匆幌孪聢D：
指令重排執(zhí)行
從上圖中我們看到雖然LazySingleton不是null，但是指向的空間并沒有初始化，最終被業(yè)務(wù)使用的時候還是會報錯，這就是DCL失效的問題，這種問題難以跟蹤難以重現(xiàn)可能會隱藏很久。
JDK1.5之前JMM(Java Memory Model，即Java內(nèi)存模型)中的Cache、寄存器到主存的回寫規(guī)定，上面第二第三的順序無法保證。JDK1.5之后，SUN官方調(diào)整了JVM，具體化了volatile關(guān)鍵字，private volatile static LazySingleton lazySingleton;只要加上volatile，就可以保證每次從主存中讀?。ㄟ@涉及到CPU緩存一致性問題，感興趣的小伙伴可以研究研究），也可以防止指令重排序的發(fā)生，避免拿到未完成初始化的對象。
上面這種方式可以有效降低鎖的競爭，鎖不會將整個方法全部鎖定，而是鎖定了某個代碼塊。其實完全做完調(diào)試之后我們還是會發(fā)現(xiàn)鎖爭奪的問題并沒有完全解決，用到了鎖肯定會對整個代碼的執(zhí)行效率帶來一定的影響。所以是否存在保證線程的安全，并且能夠不浪費內(nèi)存完美的解決方案呢？一起看下下面的解決方案。
內(nèi)部靜態(tài)類單例模式
這種方式其實是利用了靜態(tài)對象創(chuàng)建的特性來解決上述內(nèi)存浪費以及線程不安全的問題。在這里我們要弄清楚，被static修飾的屬性，類加載的時候，基本屬性就已經(jīng)加載完畢，但是靜態(tài)方法卻不會加載的時候自動執(zhí)行，而是等到被調(diào)用之后才會執(zhí)行。并且被STATIC修飾的變量JVM只為靜態(tài)分配一次內(nèi)存。(這里老貓不展開去聊static相關(guān)知識點，有興趣的小伙伴也可以自行去了解一下更多JAVA中static關(guān)鍵字修飾之后的類、屬性、方法的加載機制以及存儲機制)
所以綜合這一特性，我們就有了下面這樣的寫法：
public class LazyInnerClassSingleton {
private LazyInnerClassSingleton () {
}
public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
return LazyHolder.LAZY;
}
private static class LazyHolder {
private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
}
}上面這種寫法，其實也屬于“懶漢式單例模式”，并且這種模式相對于“無腦加鎖”以及“DCL”以及“餓漢式單例模式”來說無疑是最優(yōu)的一種實現(xiàn)方式。
但是深度去追究的話，其實這種方式也會有問題，這種寫法并不能防止反序列化和反射生成多個實例。我們簡單看一下反射的破壞的測試類：
public class DestructionSingletonTest {
public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {
Class<LazyInnerClassSingleton> enumSingletonClass = LazyInnerClassSingleton.class;
//枚舉默認有個String 和 int 類型的構(gòu)造器
Constructor constructor = enumSingletonClass.getDeclaredConstructor();
constructor.setAccessible(true);
//利用反射調(diào)用構(gòu)造方法兩次直接創(chuàng)建兩個對象，直接破壞單例模式
LazyInnerClassSingleton singleton1 = (LazyInnerClassSingleton) constructor.newInstance();
LazyInnerClassSingleton singleton2 = (LazyInnerClassSingleton) constructor.newInstance();
}
}這里序列化反序列化單例模式破壞老貓偷個懶，因為下面會有寫到，有興趣的小伙伴繼續(xù)看下文，老貓覺得這種破壞場景在真實的業(yè)務(wù)使用場景比較極端，如果不涉及底層框架變動，光從業(yè)務(wù)角度來看，上面這些單例模式的實現(xiàn)已經(jīng)管夠了。當(dāng)然如果硬是要防止上面的反射創(chuàng)建單例兩次問題也能解決,如下：
public class LazyInnerClassSingleton {
private LazyInnerClassSingleton () {
if(LazyHolder.LAZY != null) {
throw new RuntimeException("不允許創(chuàng)建多個實例");
}
}
public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
return LazyHolder.LAZY;
}
private static class LazyHolder {
private static final LazyInnerClassSingleton LAZY = new LazyInnerClassSingleton();
}
}寫到這里，可能大家都很疑惑了，咋還沒提及用單例模式優(yōu)化線程池創(chuàng)建。下面這不來了么，老貓個人覺得上面的這種方式進行創(chuàng)建單例還是比較好的，所以就用這種方式重構(gòu)一下線程池的創(chuàng)建，具體代碼如下：
public class InnerClassLazyThreadPoolHelper {
public static void execute(Runnable runnable) {
ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = ThreadPoolHelperHolder.THREAD_POOL_EXECUTOR;
threadPoolExecutor.execute(runnable);
}
/**
* 靜態(tài)內(nèi)部類創(chuàng)建實例(單例).
* 優(yōu)點：被調(diào)用時才會創(chuàng)建一次實例
*/
public static class ThreadPoolHelperHolder {
private static final int CPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
private static final int CORE_POOL_SIZE = CPU + 1;
private static final int MAXIMUM_POOL_SIZE = CPU * 2 + 1;
private static final long KEEP_ALIVE_TIME = 1L;
private static final TimeUnit TIME_UNIT = TimeUnit.SECONDS;
private static final int MAX_QUEUE_NUM = 1024;
private ThreadPoolHelperHolder() {
}
private static final ThreadPoolExecutor THREAD_POOL_EXECUTOR = new ThreadPoolExecutor(
CORE_POOL_SIZE, MAXIMUM_POOL_SIZE, KEEP_ALIVE_TIME, TIME_UNIT,
new LinkedBlockingQueue<>(MAX_QUEUE_NUM),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
}
}到此就結(jié)束了嗎？當(dāng)然不是，我們之前說上面這種單例創(chuàng)建模式的弊端是可以被反射或者序列化給攻克，雖然這種還是比較少的，但是技術(shù)么，還是稍微鉆一下牛角尖。有沒有一種單例模式不懼反射以及單例模式呢？顯然是有的。我們看下被很多人認為完美單例模式的枚舉類的寫法。
枚舉式單例模式
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
private Object object;
public Object getObject() {
return object;
}
public void setObject(Object object) {
this.object = object;
}
public static EnumSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
}上面我們寫過反射模式破壞“靜態(tài)內(nèi)部類單例模式”，那么這里咱們補一下序列化反序列化的例子。具體如下：
public class EnumSingletonTest {
public static void main(String[] args) {
try {
EnumSingleton instance2 = EnumSingleton.getInstance();
instance2.setObject(new Object());
FileOutputStream fileOutputStream = new FileOutputStream("EnumSingletonTest");
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fileOutputStream);
oos.writeObject(instance2);
oos.flush();
oos.close();
FileInputStream fileInputStream = new FileInputStream("EnumSingletonTest");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fileInputStream);
EnumSingleton instance1 = (EnumSingleton) ois.readObject();
ois.close();
System.out.println(instance2.getObject());
System.out.println(instance1.getObject());
}catch (Exception e) {
}
}
}最終我們發(fā)現(xiàn)其輸出的結(jié)果是一致的。大家可以參考老貓的代碼自己寫一下測試，關(guān)于反射破壞的方式老貓就不展開了，因為上面已經(jīng)有寫法了，大家可以參考一下，自行做一下測試。
那么既然枚舉類的單例模式這么完美，我們就拿它來重構(gòu)線程池的獲取吧。具體代碼如下：
public enum EnumThreadPoolHelper {
INSTANCE;
private static final ThreadPoolExecutor executor;
static {
final int CPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
final int CORE_POOL_SIZE = CPU + 1;
final int MAXIMUM_POOL_SIZE = CPU * 2 + 1;
final long KEEP_ALIVE_TIME = 1L;
final TimeUnit TIME_UNIT = TimeUnit.SECONDS;
final int MAX_QUEUE_NUM = 1024;
executor = new ThreadPoolExecutor(
CORE_POOL_SIZE, MAXIMUM_POOL_SIZE, KEEP_ALIVE_TIME, TIME_UNIT,
new LinkedBlockingQueue<>(MAX_QUEUE_NUM),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
}
public void execute(Runnable runnable) {
executor.execute(runnable);
}
}當(dāng)然在上述中，針對賦值的方式老貓用了static代碼塊自動類加載的時候就創(chuàng)建好了對象，大家也可以做一下其他優(yōu)化。不過還是得要保證單例模式。判斷是否為單例模式，老貓這里有個比較粗糙的辦法。我們打印出成員對象變量的值，通過多次調(diào)用看看其值是否一樣即可。當(dāng)然如果大家還有其他好辦法也歡迎留言。
總結(jié)
針對單例模式相信大家對其有了一個不錯的認識了。在日常開發(fā)的過程中，其實我們都接觸過，spring框架中，IOC容器本身就是單例模式的，當(dāng)然上述老貓也有提及到?？蚣苤械膯卫Ｊ剑蹅兊热渴崂硗戤呍O(shè)計模式之后再去做深入探討。
關(guān)于單例模式的優(yōu)點也是顯而易見的：
- 提供了對唯一實例的受控訪問。
- 因為在系統(tǒng)內(nèi)存中只存在一個對象，所以能夠節(jié)約系統(tǒng)資源，對于一些需要頻繁建立和銷毀的對象單例模式無疑能夠提升系統(tǒng)的性能。
那么缺點呢？大家有想過么？我們就拿上面的線程池創(chuàng)建這個例子來說事兒。我們整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)其實有很多類別的線程池，如果說我們根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型去做線程池創(chuàng)建的拆分的話，咱們是不是需要寫很多個這樣的單例模式。那么對于實際的開發(fā)過程中肯定是不友好的。所以主要缺點可想而知。
- 因為單例模式中沒有抽象層，所以單例類的擴展有很大的困難。
- 從開發(fā)者角度來說，使用單例對象（尤其在類庫中定義的對象）時，開發(fā)人員必須記住自己不能使用new關(guān)鍵字實例化對象。
所以具體場景還得具體分析，上面的一些單例模式實現(xiàn)，如果大家還有比較好的方式歡迎大家留言。
上面老貓聊到了不同業(yè)務(wù)調(diào)用創(chuàng)建不同業(yè)務(wù)線程池的問題，可能需要定義不同的threadFactory名稱，那么此時，我們該如何去做？帶著疑問，讓我們期待接下來的其他模式吧。
