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日报表格只有一份—单例模式

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前情提要

上集讲到, 小光建立了开分店的标准(工厂), 以后开分店都按照这套标准执行(从CompanyFactory的实现中生产开分店的必须东西), 开分店变得更加容易了.

小光也是马上将自己的这套”开分公司的工厂”投入使用了, 开出了花山软件新城分店.

随着分店越来越多, 小光也请了分别请了店长来”代理”小光之前的职责. 当然, 小光可不能完全放任不管啊, 他想着我至少得知道下每天各个店的基本情况吧.

所有示例源码已经上传到Github, 戳这里

日报制度

小光想到了当时做程序猿时, 敏捷开发每天站立会议的三个问题:

  1. 昨天完成了什么
  2. 今天要做什么
  3. 有什么困难, 阻力

心想, 我也可以根据这个弄个日报制度啊, 让各个店长按照这个格式汇报下当天的战绩:

表格:

public class Form {

    private ArrayList mFormData = new ArrayList<>();

    public void write(String data) {
        mFormData.add(data);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "表格:" + this.hashCode() + ", 数据:" + mFormData;
    }
}

每天让各个店子在打烊之前在系统中拿当日的表格(如果还没有, 就创建一个)来填写数据, 然后提交.

出了问题

想法挺好, 但是刚刚用上, 就出了问题:

光谷店店长表妹登录系统, 发现2016-12-16这个文件夹中还没有表格文件, 于是本地创建了一个, 用来填写数据, 准备稍后提交. 然而此时, 花山店的店长小章也登录了系统, 也发现还没有表格文件, 也创建了一个…

让我们来看下操作:

表妹:

public class Cousins {

    public Form submitReport() {
        Form form = new Form();
        form.write("光谷店数据");
        return form;
    }
}

小章:

public class XiaoZhang {

    public Form submitReport() {
        Form form = new Form();
        form.write("花山店数据");
        return form;
    }
}

两人的使用流程:

public class Demo {

    public static void main(String[] args) {

        Cousins cousins = new Cousins();
        Form form = cousins.submitReport();
        System.out.println(form);

        XiaoZhang xiaoZhang = new XiaoZhang();
        Form form2 = xiaoZhang.submitReport();
        System.out.println(form2);
    }
}

来看下结果:

表格:1639705018, 数据:[光谷店数据]
表格:1627674070, 数据:[花山店数据]

最终这个文件夹中有了两个(不同的)表格, 小光看起来很是不方便…

花山店店长提交的文件覆盖了光谷店店长提交的. 还没有上线协同编辑功能, 大家都是把文件download下来, 修改, 然后提交覆盖系统的, 花山店店长也没有做错什么, 他拿到的文件中本来就没有光谷店长写入的数据.

表格应该只能有一份

表格只能有一份, 小光心想. 那么怎么保证呢, 很简单, 我提前给创建好, 大家通过统一的接口来取这个文件, 而不能自己创建. 这样就不会有问题了:

public class HungryForm extends Form {

    // 提前创建好
    private static HungryForm sInstance = new HungryForm();

    // 私有化的构造, 避免别人直接创建表格
    private HungryForm() {}

    // 店长们通过这个接口来取表格
    public static HungryForm getInstance() {
        return sInstance;
    }
}

店长们这样提交报告:

public class Cousins {

    public Form submitReport() {
        // 直接新建一个表格
        // Form form = new Form();

        // 从固定的接口取表格
        Form form = HungryForm.getInstance();
        form.write("光谷店数据");
        return form;
    }
}

public class XiaoZhang {

    public Form submitReport() {
        // 直接新建一个表格
        // Form form = new Form();

        // 从固定的接口取表格
        Form form = HungryForm.getInstance();
        form.write("花山店数据");
        return form;
    }
}

提交方式不变:

public class Demo {

    public static void main(String[] args) {

        Cousins cousins = new Cousins();
        Form form = cousins.submitReport();
        System.out.println(form);

        XiaoZhang xiaoZhang = new XiaoZhang();
        Form form2 = xiaoZhang.submitReport();
        System.out.println(form2);
    }
}

来看下现在的结果:

表格:1639705018, 数据:[光谷店数据]
表格:1639705018, 数据:[光谷店数据, 花山店数据]

可以看到两人用的是同一份表格(hashCode一样的), 生成的数据也没有问题了.

故事之后

看到这, 同学们应该都看出来了, 小光这就是使用了大名鼎鼎的单例模式.
照例, 看下类图, 这个应该是最简单的类图了:

单例模式
保证一个类(HungryForm)仅有一个实例(sInstance), 并提供一个访问该实例的全局访问点(getInstance).
这就意味着单例通常有如下两个特点:

  1. 构造函数是私有的(避免别的地方创建它)
  2. 有一个static的方法来对外提供一个该单例的实例.

扩展阅读一

同学们可能注意到了, 我们在这个单例模式中使用了Hungry这个词, 没错, 我们这里实现单例的方式使用的就是饿汉式.

1, 饿汉式单例

饿汉式单例
顾名思义, 就是很饿, 不管三七二十一先创建了一个实例放着, 而不管最终用不用.

然而, 这个单例可能最终并不需要, 如果提前就创建好, 就会浪费内存空间了.
例如, 我们这个故事中, 年底假期中, 所有店子都歇业十天, 这十天就没有任何店长会去访问这个表格, 然而小光还是都每天都创建了, 这就造成了空间浪费(假设这个表格数据(对象实例)很大…)

2, 懒汉式单例

那么怎么办呢?
我们可以使用懒汉式单例:

public class LazyForm extends Form {

    private static LazyForm sInstance;

    // 私有化的构造, 避免别人直接创建表格
    private LazyForm() {}

    // 店长们通过这个接口来取表格
    public static LazyForm getInstance() {

        // 在有店长访问该文件时才创建, 通过判断当前文件是否存在(sInstance == null)来避免重复创建
        if (sInstance == null) {
            sInstance = new LazyForm();
        }
        return sInstance;
    }
}

懒汉式单例
“懒”, 也就是现在懒得创建, 等有用户要用的时候才创建.

3, 线程安全的懒汉式单例

但是这样创建也会有问题啊, 因为他是通过sInstance == null判断当前是否已经存在表格文件的, 假设有两个店长同时调用getInstance来取文件, 同时走到sInstance == null判断这一步, 就会出问题了 — 有可能创建了两个文件(实例), 就达不到单例的目的了.

所以说这种懒汉式是线程不安全的, 在多线程环境下, 并不能做到单例.

那么, 该如何做, 既能懒加载, 又线程安全呢?
我们都知道Java中多线程环境往往会用到synchronized关键字, 通过他来做线程并发性控制.

synchronized方法控制对类成员变量的访问, 每个类实例对应一把锁, synchronized修饰的方法必须获得调用该方法的类实例的锁方能执行, 否则所属线程阻塞. 方法一旦执行, 就独占该锁. 直到从该方法返回时才将锁释放. 此后被阻塞的线程方能获得该锁, 重新进入可执行状态.

让我们来看下线程安全的懒汉式单例:

public class SynchronizedLazyForm extends Form {

    private static SynchronizedLazyForm sInstance;

    // 私有化的构造, 避免别人直接创建表格
    private SynchronizedLazyForm() {}

    // 店长们通过这个接口来取表格
    // 注意, 这是一个synchronized方法
    // 参考https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/syncmeth.html
    public static synchronized SynchronizedLazyForm getInstance() {

        // 在有店长访问该文件时才创建, 通过判断当前文件是否存在(sInstance == null)来避免重复创建
        if (sInstance == null) {
            sInstance = new SynchronizedLazyForm();
        }
        return sInstance;
    }
}

线程安全的懒汉式单例
利用synchronized关键字来修饰对外提供该类唯一实例的接口(getInstance)来确保在一个线程调用该接口时能阻塞(block)另一个线程的调用, 从而达到多线程安全, 避免重复创建单例.

然而, synchronized有很大的性能开销. 而且在这里我们是修饰了getInstance方法, 意味着, 如果getInstance被很多线程频繁调用时, 每次都会做同步检查, 会导致程序性能下降.

实际上我们要的是单例, 当单例已经存在的时候, 我们是不需要用同步方法来控制的. 一如我们第一种单例的实现—饿汉模式单例, 我们一开始就创建好了单例, 就无需担心线程同步问题.

但是饿汉模式是提前创建, 那么我们怎么能做到延迟创建, 且线程安全, 且性能有所提升呢?

4, 双重检查锁定DCL(Double-Checked Locking)单例

如上所言, 我们想要的是单例, 故而单例已经存在的情况下我们无需做同步检查, 如下实现:

public class DCLForm extends Form {

    // 注意, 这里我们引入了volatile关键字
    private volatile static DCLForm sInstance;

    // 私有化的构造, 避免别人直接创建表格
    private DCLForm() {}

    // 店长们通过这个接口来取表格
    public static DCLForm getInstance() {

        // 第一次检查
        if (sInstance == null) {
            // 第一次调用getInstance时, sInstance为空, 进入此分支
            // 使用synchronized block来确保多线程的安全
            synchronized (DCLForm.class) {
                // 第二次检查
                if (sInstance == null) {
                    sInstance = new DCLForm();
                }
            }
        }
        return sInstance;
    }
}
  1. 舍弃了同步方法
  2. 在getInstance时, 先检查单例是否已经存在, 如果存在了, 我们无需同步操作了, 任何线程过来直接取单例就行, 大大提升了性能.
  3. 若单例不存在(第一次调用时), 使用synchronized同步代码块, 来确保进入的只有一个线程, 在此再做一次单例存在与否的检查, 进而创建出单例.

这样就保证了:

  1. 在单例还没有创建时, 多个线程同时调用getInsance时, 保证只有一个线程能够执行sInstance = new DCLForm()创建单例.
  2. 在单例已经存在时, getInsance没有加锁, 直接访问, 访问创建好的单例, 从而达到性能提升.

注意
这里我们对sInstance使用的volatile关键字
具体原因和原理, 请参考这篇文章, 讲的很详细.

然而, 使用volatile关键字的双重检查方案需要JDK5及以上(因为从JDK5开始使用新的JSR-133内存模型规范,这个规范增强了volatile的语义).

那么我们还有什么更通用的方式能保证多线程单例创建, 以及懒加载方式呢?

5, 静态内部类单例

public class StaticInnerClassForm extends Form {

    // 私有化的构造, 避免别人直接创建表格
    private StaticInnerClassForm() {}

    // 店长们通过这个接口来取表格
    public static StaticInnerClassForm getInstance() {
       return FormHolder.INSTANCE;
    }

    // 在静态内部类中实例化该单例
    private static class FormHolder {
       private static final StaticInnerClassForm INSTANCE = new StaticInnerClassForm();
    }
}

这种方式, 通过JVM的类加载方式(虚拟机会保证一个类的初始化在多线程环境中被正确的加锁、同步), 来保证了多线程并发访问的正确性.

另外, 由于静态内部类的加载特性 — 在使用时才加载, 这种方式也达成了懒加载的目的.

显然, 这种方式是一种比较完美的单例模式. 当然, 它也有其弊端, 依赖特定编程语言, 适用于JAVA平台.


还有很多单例的实现模式, 例如利用JDK 5起的Enum 枚举单例模式, 使用容器类管理的单例模式等, 在此就不一一说了, 网上都比较泛滥了…

从使用上, 如果是单线程环境的, 个人推荐使用第二种懒汉式单例, 简单便捷. 如果考虑多线程同步的话, 推荐使用第五种静态内部类单例, 确保同步且懒加载完美结合.


好了, 小光创建并改善了一套完整的日报系统. 这样, 他每天就可以看到各个分店的战况了, 也能根据各个店的问题, 来及时协调资源解决, 保证各个分店的良好运转了.

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