作为设计模式理论中的Helloworld,相信学习java语言的人,都应该听说过单例模式。单例模式作为对象的一种创建模式,它的作用是确保某一个类在整个系统中只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。
由此可见,单例模式具有以下的特点:
- 单例类只能有一个实例。
- 单例类必须自己创建自己的唯一的实例。
- 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
由于Java语言的特点,使得单例模式在Java语言的实现上有自己的特点。这些特点主要表现在单例类如何将自己实例化。
饿汉式单例类
饿汉式单例类是在Java语言里实现起来最为简便的单例类。其源代码如下:
01 | publicclassEagerSingleton { |
04 | privatestaticfinalEagerSingleton instance = newEagerSingleton(); |
09 | privateEagerSingleton() { |
17 | publicstaticEagerSingleton getInstance() { |
由Java语言类的初始化顺序可知,在这个类被加载时,静态变量会被初始化,此时类的私有构造子会被调用。这时候,单例类的唯一实例就被创建出来了。
Java语言中单例类的一个最重要的特点是类的构造子是私有的,从而避免外界使用构造子直接创建出任意多该类的实例。值得指出的是,由于构造子是私有的,因此该类不能被继承。
懒汉式单例类
与饿汉式单例类相同之处是,懒汉式单例类的构造子也是私有的。而与饿汉式单例类不同的是,懒汉式单例类在第一次被引用时将自己实例化。在懒汉式单例类被加载时,不会将自己实例化。其源代码如下所示:
01 | publicclassLazySingleton { |
04 | * 此时静态变量不能声明为final,因为需要在工厂方法中对它进行实例化 |
06 | privatestaticLazySingleton instance; |
11 | privateLazySingleton() { |
15 | * synchronized关键字解决多个线程的同步问题 |
17 | publicstaticsynchronizedLazySingleton getInstance() { |
19 | instance = newLazySingleton(); |
静态工厂方法中synchronized关键字提供的同步是必须的,否则当多个线程同时访问该方法时,无法确保获得的总是同一个实例。然而我们也看到,在所有的代码路径中,虽然只有第一次引用的时候需要对instance变量进行实例化,但是synchronized同步机制要求所有的代码执行路径都必须先获取类锁。在并发访问比较低时,效果并不显著,但是当并发访问量上升时,这里有可能会成为并发访问的瓶颈。
如果本文言尽于此,那实在没什么写的必要,因为以上介绍的知识,你可以从任何一本介绍单例模式的书查得到。下面我们来看看,为了降低线程同步的开销,从懒汉式单例模式中引申出来的两种很有意思的单例模式写法。
延长初始化占位
这种单例模式的写法,是著名的《Java Concurrency in Practice》一书中介绍对象的安全发布时介绍的。我们先来看它的源代码。
01 | publicclassResourceFactory { |
03 | privatestaticclassResourceHolder { |
04 | publicstaticResource resource = newResource(); |
07 | publicstaticResource getResource() { |
08 | returnResourceHolder.resource; |
要理解上面这种单例类的写法,你需要先学习一些关于Java虚拟机如何初始化一个类的知识。
在java虚拟机中,类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括了:加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)和卸载(Unloading)七个阶段。其中,验证、准备和解析三个部分统称为连接(Linking)。
加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的,类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始,而解析阶段则不一定:它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(也被称为动态绑定或晚期绑定)。
什么情况下需要开始类加载的第一个阶段:加载。虚拟机规范中并没有进行强制约束,这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段,虚拟机规范则是严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行“初始化”(而加载、验证、准备自然需要在此之前开始):
1)遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时,如果类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。生成这四条字节码指令最常见的Java代码场景是:使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)的时候,以及调用一个类的静态方法的时候。
2)使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候,如果类没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。
3)当初始化一个类的时候,如果发现其父类还没有进行过初始化,则需要先触发其父类的初始化。
4)当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。
这四种场景中的行为称为对一个类进行主动引用,除此之外所有引用类的方式,都不会触发类的初始化,被称为被动引用。以下是三个例子:
1)通过子类引用父类的静态字段,不会导致子类初始化。
2)通过数组定义来引用类,不会触发此类的初始化。
3)常量在编译阶段会存入调用类的常量池,本质上没有直接引用到定义常量的类,因此不会触发定义常量的类的初始化。
(以上摘自《深入理解Java虚拟机》)
从上面介绍的知识可以知道,JVM将推迟ResourceHolder类的初始化,直到第一个代码访问路径调用getResource()方法。此时,由于ResourceHolder.resource是一个读取静态字段的主动引用,虚拟机将第一次加载ResourceHolder类,并且通过一个静态变量来初始化Resource实例。而其他访问getResource()方法的代码路径,并不需要同步。
不需要额外的同步,但是又能确保对象可见性的正确发布,这是由Java的虚拟机规范所决定的!上面这种单例模式的写法,体现出对虚拟机规范的深刻理解,实在是专家级别的写法。
用读写锁编写的单例模式
在阅读Struts2源码的时候,我发现一个有意思的单例类写法:LoggerFactory。这里和大家分享一下,先看一下源码。
01 | packagecom.opensymphony.xwork2.util.logging; |
03 | importcom.opensymphony.xwork2.util.logging.jdk.JdkLoggerFactory; |
05 | importjava.util.concurrent.locks.ReadWriteLock; |
06 | importjava.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock; |
09 | * Creates loggers. Static accessor will lazily try to decide on the best factory if none specified. |
11 | publicabstractclassLoggerFactory { |
13 | privatestaticfinalReadWriteLock lock = newReentrantReadWriteLock(); |
14 | privatestaticLoggerFactory factory; |
16 | publicstaticvoidsetLoggerFactory(LoggerFactory factory) { |
17 | lock.writeLock().lock(); |
19 | LoggerFactory.factory = factory; |
21 | lock.writeLock().unlock(); |
26 | publicstaticLogger getLogger(Class<?> cls) { |
27 | returngetLoggerFactory().getLoggerImpl(cls); |
30 | publicstaticLogger getLogger(String name) { |
31 | returngetLoggerFactory().getLoggerImpl(name); |
34 | protectedstaticLoggerFactory getLoggerFactory() { |
35 | lock.readLock().lock(); |
41 | lock.readLock().unlock(); |
43 | lock.writeLock().lock(); |
47 | Class.forName("org.apache.commons.logging.LogFactory"); |
48 | factory = newcom.opensymphony.xwork2.util.logging.commons.CommonsLoggerFactory(); |
49 | } catch(ClassNotFoundException ex) { |
50 | // commons logging not found, falling back to jdk logging |
51 | factory = newJdkLoggerFactory(); |
57 | lock.writeLock().unlock(); |
61 | protectedabstractLogger getLoggerImpl(Class<?> cls); |
63 | protectedabstractLogger getLoggerImpl(String name); |
它是一个抽象类,来看一个具体的实现类:CommonsLoggerFactory。
01 | packagecom.opensymphony.xwork2.util.logging.commons; |
03 | importcom.opensymphony.xwork2.util.logging.Logger; |
04 | importcom.opensymphony.xwork2.util.logging.LoggerFactory; |
05 | importorg.apache.commons.logging.LogFactory; |
08 | * Creates commons-logging-backed loggers |
10 | publicclassCommonsLoggerFactory extendsLoggerFactory { |
13 | protectedLogger getLoggerImpl(Class<?> cls) { |
14 | returnnewCommonsLogger(LogFactory.getLog(cls)); |
18 | protectedLogger getLoggerImpl(String name) { |
19 | returnnewCommonsLogger(LogFactory.getLog(name)); |
可以看到,在大多数的代码路径下,getLoggerFactory()方法用可重入的读锁来进行同步。只在第一次访问时,使用了可重入的写锁来进行同步,进行factory对象的初始化。因为在写锁还没释放的时候,任何读锁的获取都会被阻塞,这样就保证了所发布的factory对象的可见性。
这里的代码,很容易就可以被改造成一个单例模式的写法。通过非阻塞的读写锁,避免了懒汉式单例类中所有代码访问路径都必须先获得类锁的弊端。