【Java實習生】面試常問設計模式——單例模式

• 臨近秋招，備戰暑期實習，祝大家每天進步億點點！Day16
• 本篇總結的是 單例設計模式，后續會每日更新~

1、簡介

• 單例模式使?場景：
  • 業務系統全域只需要?個物件實體，?如發號器、 redis 連接物件等，
  • Spring IOC容器中的 Bean 默認就是單例，
  • Spring Boot 中的 Controller、Service、Dao 層中通過 @Autowire的依賴注?物件默認都是單例的，
• 單例模式分類：
  • 懶漢：就是所謂的懶加載，延遲創建物件，需要用的時候再創建物件，
  • 餓漢：與懶漢相反，提前創建物件，
• 單例模式實作步驟：
  • 私有化建構式，
  • 提供獲取單例的?法，

2、單例模式——懶漢式

單例模式——懶漢式有以下?種實作?式：

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/11/06/20:36
 * @Description: 單例設計模式-懶漢式
 */
public class SingletonLazy {
    // 當需要用到該實體的時候再創建實體物件
    private static SingletonLazy instance;

    /**
     * 建構式私有化
     * 不能通過 new SingletonLazy() 的方式創建實體
     * 
     * 當需要用到該實體的時候在加載
     * 只能通過 SingletonLazy.getInstance() 這種方式獲取實體
     */
    private SingletonLazy() {
    }

    /**
     * 單例物件的方法
     */
    public void process() {
        System.out.println("方法實體化成功！");
    }

    /**
     * 方式一：
     * <p>
     * 對外暴露一個方法獲取該類的物件
     * <p>
     * 缺點：執行緒不安全，多執行緒下存在安全問題
     *
     * @return
     */
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {// 實體為null時候才創建
            /**
             * 執行緒安全問題：
             * 當某一時刻，兩個或多個執行緒同時判斷到instance == null成立的時候
             * 這些執行緒同時進入該if判斷內部執行實體化
             * 則會新建出不止一個SingletonLazy實體
             */
            instance = new SingletonLazy();// 當需要的時候再進行實體化物件
        }
        return instance;
    }

    /**
     * 方式二：
     * 通過加synchronized鎖 保證執行緒安全
     *
     * 采用synchronized 對方法加鎖有很大的性能開銷
     * 因為當getInstance2()內部邏輯比較復雜的時候，在高并發條件下
     * 沒獲取到加鎖方法執行權的執行緒，都得等到這個方法內的復雜邏輯執行完后才能執行，等待浪費時間，效率比較低
     *
     * @return
     */
    public static synchronized SingletonLazy getInstance2() {
        if (instance == null) {// 實體為null時候才創建
            // 方法上加synchronized鎖后可以保證執行緒安全
            instance = new SingletonLazy();// 當需要的時候再進行實體化物件
        }
        return instance;
    }

    /**
     * 方式三：
     * 在getInstance3()方法內，針對區域需要加鎖的代碼塊加鎖，而不是給整個方法加鎖
     *
     * 也存在缺陷：
     * @return
     */
    public static SingletonLazy getInstance3() {
        if (instance == null) {// 實體為null時候才創建
            // 區域加鎖后可以保證執行緒安全,效率較高
            // 缺陷：假設執行緒A和執行緒B
            synchronized (SingletonLazy.class){
                // 當執行緒A獲得鎖的執行權的時候B等待 A執行new SingletonLazy();實體化
                // 當A執行緒執行完畢后，B再獲得執行權，這時候還是可以實體化該物件
                instance = new SingletonLazy();// 當需要的時候再進行實體化物件
            }
        }
        return instance;
    }
}

單例模式：懶漢實作 + 雙重檢查鎖定 + 記憶體模型

對于上面方式三存在的缺陷，我們可以使用雙重檢查鎖定的方式對其進行改進：

/**
 * 方式三改進版本：
 * 在getInstance3()方法內，針對區域需要加鎖的代碼塊加鎖，而不是給整個方法加鎖
 *
 * DCL 雙重檢查鎖定 (Double-Checked-Locking) 在多執行緒情況下保持高性能
 *
 * 這是否安全？ instance = new SingletonLazy(); 并不是原子性操作
 * jvm中 instance實體化記憶體模型流程如下：
 * 1.分配空間給物件
 * 2.在空間內創建物件
 * 3.將物件賦值給instance參考
 *
 * 假如出現如下順序錯亂的情況：
 * 執行緒的執行順序為：1 -> 3 -> 2, 那么這時候會把值寫回主記憶體
 * 則，其他執行緒就會讀取到instance的最新值,但是這個是不完全的物件
 * (指令重排現象)
 *
 * @return
 */
public static SingletonLazy getInstance3plus() {
    if (instance == null) {// 實體為null時候才創建
        // 區域加鎖后可以保證執行緒安全,效率較高
        // 假設執行緒A和執行緒B 
        synchronized (SingletonLazy.class){// 第一重檢查
            // 當執行緒A獲得鎖的執行權的時候B等待 A執行new SingletonLazy();實體化
            // 當A執行緒執行完畢后，B再獲得執行權，這時候再判斷instance == null是否成立
            // 如果不成立，B執行緒無法 實體化SingletonLazy
            if (instance == null){// 第二重檢查
                instance = new SingletonLazy();// 當需要的時候再進行實體化物件
            }
        }
    }
    return instance;
}

再次升級方式三，來解決記憶體模型中的指令重排問題：

// 添加volatile 關鍵字，禁止實體化物件時，記憶體模型中出現指令重排現象
private static volatile SingletonLazy instance;

/**
 * 方式三再次升級版本：
 * 在getInstance3()方法內，針對區域需要加鎖的代碼塊加鎖，而不是給整個方法加鎖
 *
 * DCL 雙重檢查鎖定 (Double-Checked-Locking) 在多執行緒情況下保持高性能
 *
 * 解決指令重排問題——禁止指令重排
 * @return
 */
public static SingletonLazy getInstance3plusplus() {
    if (instance == null) {// 實體為null時候才創建
        // 區域加鎖后可以保證執行緒安全,效率較高
        // 假設執行緒A和執行緒B
        synchronized (SingletonLazy.class){// 第一重檢查
            // 當執行緒A獲得鎖的執行權的時候B等待 A執行new SingletonLazy();實體化
            // 當A執行緒執行完畢后，B再獲得執行權，這時候再判斷instance == null是否成立
            // 如果不成立，B執行緒無法 實體化SingletonLazy
            if (instance == null){// 第二重檢查
                instance = new SingletonLazy();// 當需要的時候再進行實體化物件
            }
        }
    }
    return instance;
}

單例模式——懶漢式呼叫：

@Test
public void testSingletonLazy(){
    SingletonLazy.getInstance().process();
}

3、單例模式——餓漢式

/**
 * @Auther: csp1999
 * @Date: 2020/11/06/21:39
 * @Description: 單例設計模式-餓漢式
 */
public class SingletonHungry {

    // 當類加載的時候就直接實體化物件
    private static SingletonHungry instance = new SingletonHungry();

    private SingletonHungry(){}

    /**
     * 單例物件的方法
     */
    public void process() {
        System.out.println("方法實體化成功！");
    }

    public static SingletonHungry getInstance(){
        return instance;// 當類加載的時候就直接實體化物件
    }
}

單例模式——餓漢式呼叫：

@Test
public void testSingletonHungry(){
    SingletonHungry.getInstance().process();
}

餓漢式單例模式，當類加載的時候就直接實體化物件，因此不需要考慮執行緒安全問題，

• 優點：實作簡單，不需要考慮執行緒安全問題，
• 缺點：不管有沒有使用該物件實體，instance物件一直占用著這段記憶體，

懶漢與餓漢式如何選擇？

• 如果物件記憶體占用不大，且創建不復雜，直接使用餓漢的方式即可，
• 其他情況均采用懶漢方式(優選)，

總結的面試題也挺費時間的，文章會不定時更新，有時候一天多更新幾篇，如果幫助您復習鞏固了知識點，還請三連支持一下，后續會億點點的更新！

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