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陈皓 前序
单实例Singleton设计模式可能是被讨论和使用的最广泛的一个设计模式了#xff0c;这可能也是面试中问得最多的一个设计模式了。这个设计模式主要目的是想在整个系统中只能出现一个类的实例。这样做当然是有必然的#xff0c;比如…
深入浅出单实例Singleton设计模式
陈皓 前序
单实例Singleton设计模式可能是被讨论和使用的最广泛的一个设计模式了这可能也是面试中问得最多的一个设计模式了。这个设计模式主要目的是想在整个系统中只能出现一个类的实例。这样做当然是有必然的比如你的软件的全局配置信息或者是一个Factory或是一个主控类等等。你希望这个类在整个系统中只能出现一个实例。当然作为一个技术负责人的你你当然有权利通过使用非技术的手段来达到你的目的。比如你在团队内部明文规定“XX类只能有一个全局实例如果某人使用两次以上那么该人将被处于2000元的罚款”呵呵你当然有权这么做。但是如果你的设计的是东西是一个类库或是一个需要提供给用户使用的API恐怕你的这项规定将会失效。因为你无权要求别人会那么做。所以这就是为什么我们希望通过使用技术的手段来达成这样一个目的的原因。
本文会带着你深入整个Singleton的世界当然我会放弃使用C语言而改用Java语言因为使用Java这个语言可能更容易让我说明一些事情。 Singleton的教学版本
这里我将直接给出一个Singleton的简单实现因为我相信你已经有这方面的一些基础了。我们姑且把这具版本叫做1.0版 // version 1.0 public class Singleton { private static final Singleton singleton null; private Singleton() { } public static Singleton getInstance() { if (singleton null) { singleton new Singleton(); } return singleton; } } [java] view plaincopy 在上面的实例中我想说明下面几个Singleton的特点下面这些东西可能是尽人皆知的没有什么新鲜的
私有private的构造函数表明这个类是不可能形成实例了。这主要是怕这个类会有多个实例。即然这个类是不可能形成实例那么我们需要一个静态的方式让其形成实例getInstance()。注意这个方法是在new自己因为其可以访问私有的构造函数所以他是可以保证实例被创建出来的。在getInstance()中先做判断是否已形成实例如果已形成则直接返回否则创建实例。所形成的实例保存在自己类中的私有成员中。我们取实例时只需要使用Singleton.getInstance()就行了。
当然如果你觉得知道了上面这些事情后就学成了那我给你当头棒喝一下了事情远远没有那么简单。 Singleton的实际版本
上面的这个程序存在比较严重的问题因为是全局性的实例所以在多线程情况下所有的全局共享的东西都会变得非常的危险这个也一样在多线程情况下如果多个线程同时调用getInstance()的话那么可能会有多个进程同时通过 (singleton null)的条件检查于是多个实例就创建出来并且很可能造成内存泄露问题。嗯熟悉多线程的你一定会说——“我们需要线程互斥或同步”没错我们需要这个事情于是我们的Singleton升级成1.1版如下所示 // version 1.1 public class Singleton { private static final Singleton singleton null; private Singleton() { } public static Singleton getInstance() { if (singleton null) { synchronized (Singleton.class) { singleton new Singleton(); } } return singleton; } } [java] view plaincopy 嗯使用了Java的synchronized方法看起来不错哦。应该没有问题了吧错这还是有问题为什么呢前面已经说过如果有多个线程同时通过(singleton null)的条件检查因为他们并行运行虽然我们的synchronized方法会帮助我们同步所有的线程让我们并行线程变成串行的一个一个去new那不还是一样的吗同样会出现很多实例。嗯确实如此看来还得把那个判断(singleton null)条件也同步起来。于是我们的Singleton再次升级成1.2版本如下所示 // version 1.2 public class Singleton { private static final Singleton singleton null; private Singleton() { } public static Singleton getInstance() { synchronized (Singleton.class) { if (singleton null) { singleton new Singleton(); } } return singleton; } } [java] view plaincopy 不错不错看似很不错了。在多线程下应该没有什么问题了不是吗的确是这样的1.2版的Singleton在多线程下的确没有问题了因为我们同步了所有的线程。只不过嘛……什么还不行是的还是有点小问题我们本来只是想让new这个操作并行就可以了现在只要是进入getInstance()的线程都得同步啊注意创建对象的动作只有一次后面的动作全是读取那个成员变量这些读取的动作不需要线程同步啊。这样的作法感觉非常极端啊为了一个初始化的创建动作居然让我们达上了所有的读操作严重影响后续的性能啊
还得改嗯看来在线程同步前还得加一个(singleton null)的条件判断如果对象已经创建了那么就不需要线程的同步了。OK下面是1.3版的Singleton。 // version 1.3 public class Singleton { private static final Singleton singleton null; private Singleton() { } public static Singleton getInstance() { if (singleton null) { synchronized (Singleton.class) { if (singleton null) { singleton new Singleton(); } } } return singleton; } } [java] view plaincopy 感觉代码开始变得有点罗嗦和复杂了不过这可能是最不错的一个版本了这个版本又叫“双重检查”Double-Check。下面是说明
第一个条件是说如果实例创建了那就不需要同步了直接返回就好了。不然我们就开始同步线程。第二个条件是说如果被同步的线程中有一个线程创建了对象那么别的线程就不用再创建了。
相当不错啊干得非常漂亮请大家为我们的1.3版起立鼓掌 Singleton的其它问题 怎么还有问题当然还有请记住下面这条规则——“无论你的代码写得有多好其只能在特定的范围内工作超出这个范围就要出Bug了”这是“陈式第一定理”呵呵。你能想一想还有什么情况会让这个我们上面的代码出问题吗
在C下我不是很好举例但是在Java的环境下嘿嘿还是让我们来看看下面的一些反例和一些别的事情的讨论当然有些反例可能属于钻牛角尖可能有点学院派不过也不排除其实际可能性就算是提个醒吧
其一、Class Loader。不知道你对Java的Class Loader熟悉吗“类装载器”C可没有这个东西啊。这是Java动态性的核心。顾名思义类装载器是用来把类(class)装载进JVM的。JVM规范定义了两种类型的类装载器启动内装载器(bootstrap)和用户自定义装载器(user-defined class loader)。 在一个JVM中可能存在多个ClassLoader每个ClassLoader拥有自己的NameSpace。一个ClassLoader只能拥有一个class对象类型的实例但是不同的ClassLoader可能拥有相同的class对象实例这时可能产生致命的问题。如ClassLoaderA装载了类A的类型实例A1而ClassLoaderB也装载了类A的对象实例A2。逻辑上讲A1A2但是由于A1和A2来自于不同的ClassLoader它们实际上是完全不同的如果A中定义了一个静态变量c则c在不同的ClassLoader中的值是不同的。
于是如果咱们的Singleton 1.3版本如果面对着多个Class Loader会怎么样呵呵多个实例同样会被多个Class Loader创建出来当然这个有点牵强不过他确实存在。难道我们还要整出个1.4版吗可是我们怎么可能在我的Singleton类中操作Class Loader啊是的你根本不可能。在这种情况下你能做的只有是——“保证多个Class Loader不会装载同一个Singleton”。
其二、序例化。如果我们的这个Singleton类是一个关于我们程序配置信息的类。我们需要它有序列化的功能那么当反序列化的时候我们将无法控制别人不多次反序列化。不过我们可以利用一下Serializable接口的readResolve()方法比如 public class Singleton implements Serializable { ...... ...... protected Object readResolve() { return getInstance(); } } [java] view plaincopy 其三、多个Java虚拟机。如果我们的程序运行在多个Java的虚拟机中。什么多个虚拟机这是一种什么样的情况啊。嗯这种情况是有点极端不过还是可能出现比如EJB或RMI之流的东西。要在这种环境下避免多实例看来只能通过良好的设计或非技术来解决了。
其四volatile变量。关于volatile这个关键字所声明的变量可以被看作是一种 “程度较轻的同步synchronized”与 synchronized 块相比volatile 变量所需的编码较少并且运行时开销也较少但是它所能实现的功能也仅是synchronized的一部分。当然如前面所述我们需要的Singleton只是在创建的时候线程同步而后面的读取则不需要同步。所以volatile变量并不能帮助我们即能解决问题又有好的性能。而且这种变量只能在JDK 1.5版后才能使用。
其五、关于继承。是的继承于Singleton后的子类也有可能造成多实例的问题。不过因为我们早把Singleton的构造函数声明成了私有的所以也就杜绝了继承这种事情。
其六关于代码重用。也话我们的系统中有很多个类需要用到这个模式如果我们在每一个类都中有这样的代码那么就显得有点傻了。那么我们是否可以使用一种方法把这具模式抽象出去在C下这是很容易的因为有模板和友元还支持栈上分配内存所以比较容易一些程序如下所示Java下可能比较复杂一些聪明的你知道怎么做吗 templateCLASS T class Singleton { public: static T Instance() { static T theSingleInstance; //假设T有一个protected默认构造函数 return theSingleInstance; } }; class OnlyOne : public SingletonONLYONE { friend class SingletonONLYONE; int example_data; public: int GetExampleData() const {return example_data;} protected: OnlyOne(): example_data(42) {} // 默认构造函数 OnlyOne(OnlyOne) {} }; int main( ) { cout OnlyOne::Instance().GetExampleData() endl; return 0; } [c] view plaincopy 本文同时发表于——酷壳a hrefhttp://cocre.com/?p265http://cocre.com/?p265/a (转载时请注明作者和出处。未经许可请勿用于商业用途)
