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用一个通俗易懂的例子彻底说清楚单例模式

2010 年 4 月 30 日

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一、背景

  • 在企业网站后台系统中，一般会将网站统计单元进行独立设计，比如登录人数的统计、IP数量的计数等。在这类需要完成全局统计的过程中，就会用到 单例模式 ，即整个系统只需要拥有一个计数的全局对象。
  • 在网站登录这个高并发场景下，由这个全局对象负责统计当前网站的登录人数、IP等，即节约了网站服务器的资源，又能保证计数的准确性。

二、单例模式

1、概念

单例模式是最常见的设计模式之一，也是整个设计模式中最简单的模式之一。

单例模式需确保这个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例；这个类也称为单例类，提供全局访问的方法。

单例模式有三大要点：

  • 构造方法私有化；
    — private Singleton() { }
  • 实例化的变量引用私有化；
    — private static final Singleton APP_INSTANCE = new Singleton();
  • 获取实例的方法共有
    — public static SimpleSingleton getInstance() {
    —

    return APP_INSTANCE;

    — }

2、网站计数的单例实现

实现单例模式有多种写法，这里我们只列举其中最常用的三种实现方式，且考虑到网站登录高并发场景下，将重点关注多线程环境下的安全问题。

  • 登录线程的实现

    我们先创建一个登录线程类，用于登录及登录成功后调用单例对象进行计数。

/**
 * 单例模式的应用--登录线程
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class Login implements Runnable {
    // 登录名称
    private String loginName;

    public String getLoginName() {
        return loginName;
    }

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

    @Override
    public void run() {
        // TODO 
        // 登录成功后调用单例对象进行计数
    }
}

  • 主程序的实现

    编写一个主程序，利用多线程技术模拟10个用户并发登录，完成登录后输出登录人次计数。

/**
 * 单例模式--主程序
 *
 * @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)) + "号用户");
            threads[i] = new Thread(login);
            threads[i].start();
        }

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

        // TODO
        // 调用单例对象输出登录人数统计
}

2.1 饿汉模式

  • 在程序启动之初就进行创建（不管三七二十一，先创建出来再说）。
  • 天生的线程安全。
  • 无论程序中是否用到该单例类都会存在。
/**
 * 饿汉式单例模式
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class SimpleSingleton implements Serializable {
    // 单例对象
    private static final SimpleSingleton APP_INSTANCE = new SimpleSingleton();
    // 计数器
    private AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    // 单例模式必须保证默认构造方法为私有类型
    private SimpleSingleton() {
    }

    public static SimpleSingleton getInstance() {
        return APP_INSTANCE;
    }

    public AtomicLong getCount() {
        return count;
    }

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

}

我们将饿汉模式的单例对象加入进登录线程及主程序中进行测试：

/**
 * 单例模式的应用--登录线程
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class Login implements Runnable {
    // 登录名称
    private String loginName;

    public String getLoginName() {
        return loginName;
    }

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

    @Override
    public void run() {
        // 饿汉式单例
        SimpleSingleton simpleSingleton=  SimpleSingleton.getInstance();
        simpleSingleton.setCount();
        System.out.println(getLoginName()+"登录成功:"+simpleSingleton.toString());
    }

}

/**
 * 单例模式--主程序
 *
 * @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)) + "号用户");
            threads[i] = new Thread(login);
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].join();
        }
        System.out.println("网站共有"+SimpleSingleton.getInstance().getCount()+"个用户登录");

    }
}

输出如下：

10个线程并发登录过程中，获取到了同一个对象引用地址，即该单例模式是有效的。

2.2 懒汉模式

  • 在初始化时只进行定义。
  • 只有在程序中调用了该单例类，才会完成实例化（没人动我，我才懒得动）。
  • 需通过线程同步技术才能保证线程安全。

我们先看下未使用线程同步技术的例子：

/**
 * 懒汉式单例模式--未应用线程同步技术
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class LazySingleton {
    // 单例对象
    private static LazySingleton APP_INSTANCE;
    // 计数器
    private AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    // 单例模式必须保证默认构造方法为私有类型
    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);
    }

  }
/**
 * 单例模式的应用--登录线程
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class Login implements Runnable {
   
    ....
    @Override
    public void run() {
        // 饿汉式单例
        LazySingleton lazySingleton =LazySingleton.getInstance();
        lazySingleton.setCount();
        System.out.println(getLoginName()+"登录成功:"+lazySingleton);
    }

}

/**
 * 单例模式--主程序-
 *
 * @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)) + "号用户");
            threads[i] = new Thread(login);
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].join();
        }
        System.out.println("网站共有" + LazySingleton.getInstance().getCount() + "个用户登录");
    }
}

输出结果：

10个线程并发登录过程中，获取到了四个对象引用地址，该单例模式失效了。

对代码进行分析：

// 未使用线程同步
public static LazySingleton getInstance() {
        // 在多个线程并发时，可能会有多个线程同时进入 if 语句，导致产生多个实例
        if (APP_INSTANCE == null) {
            APP_INSTANCE = new LazySingleton();
        }
        return APP_INSTANCE;
    }

我们使用线程同步技术对懒汉式模式进行改进：

/**
 * 懒汉式单例模式
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public class LazySingleton {
    // 单例对象 ,加入volatile关键字进行修饰
    private static volatile LazySingleton APP_INSTANCE;
    // 计数器
    private AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    // 单例模式必须保证默认构造方法为私有类型
    private LazySingleton() {
    }

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (APP_INSTANCE == null) {
            // 对类进行加锁，并进行双重检查
            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);
    }

  }

再测试运行：

10个线程并发登录过程中，获取到了同一个对象引用地址，即该单例模式有效了。

2.3 枚举类实现单例模式

《Effective Java》 推荐使用枚举的方式解决单例模式。这种方式解决了最主要的；线程安全、自由串行化、单一实例。

/**
 * 利用枚举类实现单例模式
 *
 * @author zhuhuix
 * @date 2020-06-01
 */
public enum EnumSingleton implements Serializable {
    // 单例对象
    APP_INSTANCE;
    // 计数器
    private AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    // 单例模式必须保证默认构造方法为私有类型
    private EnumSingleton() {
    }

    public AtomicLong getCount() {
        return count;
    }

    public void setCount() {
        count.addAndGet(1);
    }
    
}
/**
 * 单例模式的应用--登录线程
 *
 * @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()+"登录成功:"+enumSingleton.toString());

    }
}

/**
 * 单例模式--主程序
 *
 * @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)) + "号用户");
            threads[i] = new Thread(login);
            threads[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i].join();
        }
         System.out.println("网站共有"+EnumSingleton.APP_INSTANCE.getCount()+"个用户登录");

    }
}

输出如下：

10个线程并发登录过程中，该单例模式是有效的。

三、总结

  1. 文中首先说明了单例模式在网站计数的应用：创建唯一的全局对象实现统计单元的计数。
  2. 根据该需求，建立了Login登录线程类及App主程序，模拟多用户同步并发登录。
  3. 分别设计了饿汉模式、懒汉模式、枚举类三种不同的实现单例模式的方式。
  4. 在设计单例模式的过程中，特别要注意线程同步安全的问题，文中以懒汉模式列出了线程不同步的实际例子。
  5. 延伸思考 ：《Effective Java》为什么说实现单例模式的最佳方案是单元素枚举类型？

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