【Java多线程(4)】案例:设计模式

目录

一、什么是设计模式?

二、单例模式

1. 饿汉模式

2. 懒汉模式

懒汉模式-第一次改进

懒汉模式-第二次改进

懒汉模式-第三次改进


一、什么是设计模式?

设计模式是针对软件设计中常见问题的通用解决方案。它们提供了一种被广泛接受的方法来解决特定类型的问题,并且具有经过验证的效果和可重复使用性。设计模式不是代码或类库,而是一种解决问题的思维方式或模式。

设计模式就好比象棋中的“棋谱”,针对对方的一些走法,黑方应招的时候有一些固定的套路,按照套路走局势就不会吃亏。想要成为一名象棋高手,背棋谱其实是必然的。因此,设计模式也是开发中的一种重要的解决问题的方式。

二、单例模式

单例模式是校招中 最常考的设计模式 之⼀。
单例模式能保证某个类在程序中只存在唯一一份实例,而不会创建出多个实例。
单例模式具体的实现方式有很多,最常见的是" 饿汉"和" 懒汉"两种。

1. 饿汉模式

饿汉式单例(Eager Initialization):在类加载时就创建实例。

// 单例模式 - 饿汉模式
// 类加载的同时,直接创建实例。
class Singleton {
    // 在类加载时就创建实例
    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 对外提供获取实例的静态方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

    // 私有化构造方法,防止外部直接实例化
    private Singleton() {
    }
}

public class Demo1 {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取单例对象
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        
        // 判断两个实例是否相同
        System.out.println(s1 == s2);  // 输出 true,说明两个引用指向同一个实例

        // 以下代码会报错,因为构造方法是私有的,无法在外部直接实例化
        // Singleton s = new Singleton();
    }
}

上述代码类加载就会创建实例的原因:

在Java中,类加载时机是在首次使用该类时,Java虚拟机会负责对类进行加载、连接和初始化。在加载阶段,虚拟机会加载类的字节码并创建Class对象,而在初始化阶段,虚拟机会执行类的初始化过程,其中包括对静态变量的初始化。因此,在首次使用该类时,类会被加载并且静态变量会被初始化,从而创建单例实例

通过对构造方法的私有化,使得上述代码只有一个实例。

由于单例对象在类加载时就被创建,因此不存在线程安全问题。但如果实例很大且长时间未使用,会造成资源浪费。

2. 懒汉模式

懒汉式单例(Lazy Initialization):在第一次调用时创建实例。

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    
    private Singleton() {
        // 私有化构造方法
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

注意:此示例不是线程安全的【Java多线程(3)】线程安全问题和解决方案

线程安全问题发生在首次创建实例时,如果多个线程中同时调用getInstance方法,由于线程的抢占式执行,就可能导致创建出多个实例。

如果实例创建好了,后面在多线程环境调用getInstance就不再有线程安全问题了,因为不会再new实例了。

因此,加上synchronized 就能够解决这里的创建多个实例的问题

懒汉模式-第一次改进

public class SingletonLazy {
    private static volatile SingletonLazy instance = null;

    public static SingletonLazy getInstance() {
        synchronized (SingletonLazy.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new SingletonLazy();
            }
        }
        return instance;
    }

    private SingletonLazy() {
    }
}

这样操作后,就能保证只有第一个调用getInstance方法的线程会创建实例,其余线程即使抢到CPU执行权,也会被阻塞。后续条件判断的时候也就不会再new了。

但是,饿汉模式只有在最开始调用getInstance会存在线程安全问题,后续再调用是没有线程安全问题的。而上述代码针对后续调用,明明没有线程安全问题,却还是要加锁(可能导致其他线程阻塞),这使得代码的性能大大降低了。

因此,对于这个问题,还要进行一些改进,就是只在对象还未实例化的时候对实例化对象的这段代码进行加锁

懒汉模式-第二次改进

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;

    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private SingletonLazy() {
    }
}

使用双重if判定,降低锁竞争的频率。

  1. 在 getInstance() 方法中首先检查 instance 是否为 null,如果是 null,表示尚未创建实例,需要进行实例化操作。
  2. 由于该方法可能被多个线程同时调用,因此需要使用双重检查锁定来确保只有一个线程创建实例。
  3. 在第一次检查 instance 为 null 后,进入同步块,并再次检查 instance 是否为 null,以防止多个线程同时进入同步块后重复创建实例。
  4. 如果 instance 仍然为 null,则在同步块内部创建新的 SingletonLazy 实例,并将其赋值给 instance

这样的做法,即使在对象还未实例化的时候,有多个线程进入第一个if判断了,里面的锁仍会保证只有一个线程会去实例化,并且在后续线程再调用getInstance方法的时候,外层的if判断就把它挡住了,就不会再上锁了。

但是,写出双重if判定的代码的时候,强大的IDEA就已经给出了一个警告:双重检查锁定

既然IDEA都给警告了,意味着这里可能还会问题存在!

懒汉模式-第三次改进

IDEA给我们的处理方式是:给instance加上volatile关键字。

一方面,这里就又涉及到了内存可见性问题:在第一次创建实例中,被阻塞的线程有可能没有感知到instance的引用已经改变了,导致的内存可见性问题。

另一方面,就是我们在【Java多线程(3)】线程安全问题和解决方案 这篇博客中还未解决的指令重排序问题,这是我们这里要讨论的重点

指令重排序,也是编译器的一种优化策略。看一个去超市买菜的例子:

可以看到,优化后的策略节省了不少时间。

而在instance = new SingletonLazy(); 这行代码中,其实会有很多很多的指令,但是大体上可以分成三个步骤:

  1. 申请内存空间
  2. 调用构造方法(对内存空间进行初始化)
  3. 把此时内存空间的地址,赋值给 instance 引用

而在指令重排序的优化下,上述过程不一定是按 123 执行的,也可能是 132 执行(1一定先执行),这种优化策略,在单线程下都是没有问题的,但 132 在多线程下,可能就会引起bug。假设有t1和t2两个线程,线程间是按照以下顺序执行的:

volatile解决的就是上述两个问题(内存可见性和指令重排序(保证执行顺序是123))

因此,懒汉模式的最终代码就是在第二次改进的基础上,给instance加上volatile关键字。

//懒汉模式-最终代码
class SingletonLazy {
    private static volatile SingletonLazy instance = null;

    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    private SingletonLazy() {
    }
}

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