Android 架构师1 设计模式之单例模式

前言:

Java中单例模式是一种广泛使用的设计模式。单例模式的主要作用是保证在Java程序中,某个类只有一个实例存在。一些管理器和控制器常被设计成单例模式。
单例模式有很多好处,不仅可以减少每次创建对象的时间开销,还可以节约内存空间;能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。

单例模式有很多写法,下面就主要的几种写法列举如下:

1. 饿汉式:

饿汉式,顾名思义就是一开始创建该类的时候,就创建了该实例。

public class SingletonHungry {
    //私有化构造方法
    private SingletonHungry() {

    }

    //直接创建对象
    private static SingletonHungry instance = new SingletonHungry();

    //对外提供公共的访问方法
    public static SingletonHungry getInstance() {
        return instance;
    }
}

因为加载类的时候就会创建实例,所以线程安全的(多个ClassLoader存在时例外),但是不是延迟加载,开发中很多时候都是尽量采取需要的时候,才去创建该实例。

2. 懒汉式:

懒汉式,一开始并不会创建该类的实例,而是等到真正要用的时候,才会去创建实例,即延迟加载。

public class SingletonLazy {
    //私有化构造方法
    private SingletonLazy() {

    }

    //创建本类对象的引用
    private static SingletonLazy instance;

    //对外提供公共的访问方法
    public static synchronized SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
}

上述写法是线程安全的,当线程A和线程B都去调用getInstance方法的时候,synchronized关键字就会让先到的线程A获取锁,而线程B则会等待,直到线程A释放锁;同时并不像饿汉式那样一开始就创建本类对象的实例,而是需要的时候才会创建实例,达到了延迟加载的效果;但是又由于synchronized关键字影响效率,这样写效率比较低,因为每次调用都会进行synchronized同步。

3. 双重校验锁(Double Check Lock):

public class SingletonDCL {
    //私有化构造方法
    private SingletonDCL() {

    }

    //创建本类对象的引用
    private static SingletonDCL instance;

    //对外提供公共的访问方式
    public static SingletonDCL getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonDCL.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDCL();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

我们知道,第一个判断是否为空,是为了解决懒汉式的效率问题,当创建好了之后,就只需要进行判断是否为空,而不需要进行同步操作,提高了效率;那么第二个是否为空,是为了解决什么呢?其实是这样的:当线程A获得了锁,并创建了该类的实例对象的时候,即intance = new SingletonDCL()已经走了,那么这时候线程A释放锁,线程B获得了锁,如果不加判断,线程B势必也会再新创建一个对象,这不符合单例的本意,所以这里还需要再加一层判断,这也就是双重校验的来历。
但是上述的做法在高并发的情况下,仍然会有问题,只不过这种概率很小,所以很少人注意到。
其实Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程中还有自己的工作内存,线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量(这些变量是从主内存中拷贝而来)。线程对变量的所有操作(读取,赋值)都必须在工作内存中进行。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。这就存在一个问题,一个线程A如果修改了某个变量,而没有及时写回到主内存,这时候另一个线程B使用这个变量,这个变量并不是线程A修改后的值。而例子中,也可能导致线程A虽然初始化了该实例,但是并没有写入主内存,这时候线程B使用该实例,得到的仍然是null。那这个问题,该怎么解决呢?这时候我们需要注意到Java中的volatile关键字。
一旦一个共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量)被volatile修饰之后,那么就具备了两层语义:
1)保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性,即一个线程修改了某个变量的值,这新值对其他线程来说是立即可见的。
2)禁止进行指令重排序。

使用volatile修饰之后就变得不一样了:
第一:使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存。
第二:使用volatile关键字的话,当线程B进行修改时,会导致线程A的工作内存中缓存变量的缓存行无效。
第三:由于线程A的工作内存中缓存变量的缓存行无效,所以线程1再次读取变量的值时会去主存读取。

接下来,我们只需将instance变量加上volatile关键字修饰即可:

public class SingletonDCL {
    //私有化构造方法
    private SingletonDCL() {

    }

    //创建本类对象的引用
    private static volatile SingletonDCL instance;

    //对外提供公共的访问方式
    public static SingletonDCL getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonDCL.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonDCL();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

看完了这些,我们是不是还没有细细深究一下,为什么构造方法、成员变量是用private修饰的,而成员变量又是用static修饰的?至于为什么提供的访问方法使用public修饰的,大家应该都知道,因为我们需要对外提供公共的访问方式。那么接下来我们就这两个问题来探讨一下,等等,先别看下面的讨论,你可以自己先想一想:
首先构造方法、成员变量用private修饰,其实是为了对外隐藏创建的方式,不允许其它类自由创建这个类的对象,同时兼有封装的效果,只对外暴露公共的访问方式。
接下来我们讨论第二个问题,成员变量用static修饰,其实由于单例模式是只创建一个对象,而我们怎么知道只创建了一个对象呢?这时候就需要我们去缓存这个已经创建好的变量,而达到缓存的目的,同时又由于getInstance方法是静态的方法,故我们就需要将这个变量用static修饰。
讨论完这些,是不是整个人都神清气爽了呢?哈哈,真理总是掌握在少数人的手里!

4. 静态内部类:

public class SingletonInnerClass {
    private SingletonInnerClass() {

    }

    private static class SingletonHolder {
        private static SingletonInnerClass instance = new SingletonInnerClass();
    }

    public static SingletonInnerClass getInstance () {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

静态内部类写法避免了静态实例在SingletonInnerClass类加载的时候就创建了对象,达到了延时加载的目的,并且由于静态内部类只会被加载一次,所以又是线程安全的。

5. 单例模式在Android中的应用:

LayoutInflater、WindowManager、ActivityManager、PowerManager。

6. 总结

关于单例模式的枚举写法就不在此列举了,由于内存等方面原因,Android是不推荐枚举的。单例模式的写法多种多样,每一种写法都有自己本身的优点与缺点,主要结合自己的需求去合理地使用。

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