浅谈操作系统中的重要概念——线程（3）—

浅谈操作系统中的重要概念——线程（3）——设计模式

文章目录

一、什么是设计模式？
二、单例模式
- 2.1、饿汉模式
- 2.2、懒汉模式
- 2.3、多线程情况下调用饿汉模式与懒汉模式谁是安全的？？（重点）
三、工厂模式

一、什么是设计模式？

设计模式就相当于菜谱，有了菜谱/秘籍，就能够根据菜谱上的指引/步骤做出许多从前不会的美食，就算不会下厨的人，拥有了食谱，他的厨艺也能够得到提升和保障。

因此设计模式就是程序员的菜谱，设计模式中介绍了许多典型场景，以及针对这些典型场景的处理办法。按照设计模式来写的代码不会很差，在一定的规范范围里。

设计模式有很多种，不止23种，今天主要介绍两种常见、常用的：
1、单例模式
2、工厂模式

二、单例模式

单例模式对应的场景：希望代码中的有些对象在整个程序中只有一个实例(即对象只能 new 一次)。

譬如说：JDBC中的数据源DataSource这样的对象就只需要一个即可，因此这个对象就可以使用单例模式。

对于我们程序员来说，如果有些对象在整个程序中只需要有一个实例即可，那我们程序员就只new一次就好了，为什么还需要引入单例模式？？那是因为对于程序来说，人是不靠谱的，就需要引入单例模式，此时由编译器来进行严格的检查（对于代码中只能new一次的对象，如果尝试new了多次，编译器就会直接报错来进行提示），确保某些对象处于单例模式。

接下来介绍一下在Java中单例模式的两种写法：

2.1、饿汉模式

饿汉模式：程序启动进行类加载之后，立即创建出实例。（比较迫切）

代码例子：

class Singleton{
    /**
     * 此处就期望类Singleton只有一个实例
     */

//    静态成员：instance
//    static  静态的，与类相关的，整个程序中只有一份
    private static Singleton instance = new Singleton();


//    通过此方法，随时获取到刚刚的 instance 变量
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }

//    作出限制：禁止别人去 new 这个类的实例——>将构造方法变成private
    private Singleton(){
        
    }
}

public class testHunger {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
//        此时我们再new类的实例，直接编译报错（编译器校验了）
//        Singleton s3 = new Singleton();

//        我们可以发现 s1、s2 这两个都是同一个对象
        System.out.println(s1.equals(s2)); //true
//        s1、s2 和 s3 不是同一个对象
//        System.out.println(s3.equals(s1)); //false
//        System.out.println(s3.equals(s2)); //false
    }
}

但是上述代码中，我们将类的构造方法改成private，此时别人就一定不能创建多个实例了吗？？其实还是可以通过反射机制，在当前单例模式中，创建出多个实例。
在这里插入图片描述但是反射属于 “非常规” 的编程手段，正常开发的时候，慎重使用，因为滥用反射，会给代码带来极大风险，譬如会让代码变得抽象，日后难以维护，还破坏了Java的封装性。

当然Java中也有其他方式书写单例模式来防止反射，但此处不做过多介绍，可以自行查阅资料了解。

2.2、懒汉模式

懒汉模式：第一次使用实例的时候才创建实例，否则能不创建就不创建。（比较佛系）

/**
 * 代码示例：
 * 单例模式中的懒汉模式
 */
class SingletonLazy{
    private static SingletonLazy instance = null;

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

    private SingletonLazy(){

    }
}

public class testLazy {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();

//        同样也是可以通过非常规手段：反射机制 获取类的实例
        Class<SingletonLazy> s3 = SingletonLazy.class;
        System.out.println(s3.equals(s1));
        
        System.out.println(s1.equals(s2));
    }
}

2.3、多线程情况下调用饿汉模式与懒汉模式谁是安全的？？（重点）

饿汉模式：
在这里插入图片描述

懒汉模式：
在这里插入图片描述

上述逻辑，也是一个经典的面试题！

那我们如何保证懒汉模式的线程安全呢？

由于上述引起线程安全的原因是 if语句与new语句不是一个整体，因此出现了线程安全问题，此时我们通过将if语句和new语句打包成一个整体来解决懒汉模式的线程安全问题。

在这里插入图片描述
加锁之后，线程在cpu上的执行流程：（当加了锁之后，线程t2执行if语句时，就会发现此时的instance是一个非null的值，）

虽然加了锁，解决了线程安全问题，但是还存在问题：加锁是一个高成本的操作，会引起阻塞等待。加锁的基本原则应该是：非必要，不加锁。不能无脑加锁，如果无脑加锁，就会导致程序的执行效率受到影响。

此时我们对懒汉模式的代码中加的锁，导致后续每次调用 getInstance() 方法都要加锁，但是这是不合理且不必要的。**懒汉模式线程不安全主要是因为首次 new 对象时，才存在的。一旦将对象 new 出来后，后续再调用 getInstance() 方法就不存在线程安全问题了。**但是我们现在的加锁是：首次 new 对象调用时，加锁了。后续调用，也加锁了。但实际上后续调用不必加锁，因为后续调用后if条件就进不去了，此时也就不再涉及到修改操作了，全是读操作。但我们把不该加锁的地方加上锁了，很影响程序的执行效率。

对加锁操作做出以下修改：
在这里插入图片描述

两个if语句之间存在加锁操作，加锁就会引起线程阻塞等待，究竟阻塞等待多久，不知道，有可能第一个if语句与第二个if语句间隔沧海桑田，因此在这个长久的时间间隔里，可能别的线程就把instance改了。

上述对加锁操作做了修改之后，还存在一个问题：
在这里插入图片描述
已知一般 instance = new SingletonLazy()；可以大致分成3个步骤：
1、给对象创建出内存空间，得到内存地址。
2、在空间上调用构造方法，对对象进行初始化。
3、把内存地址赋值给 instance引用。

假设现在代码的执行顺序由123变成132，但是在执行步骤3之后，进行了线程切换，此时还没来得及执行步骤2，即给对象初始化，就调度给别的线程了，此时别的线程执行的时候，判断instance不为空了，于是就直接返回instance，并且后续代码中可能会使用 instance 中的一些属性或者方法，但是由于多线程下出现了指令重排序的问题导致线程安全问题，此时的instance是个空引用，即拿到的这个对象，是个没有进行初始化，不完整的对象。

解决办法：给变量 instance 加上 volatile 之后，此时针对 instance 的赋值操作，就不会产生上述的指令重排序了，其执行顺序必然是遵循1、2、3执行。

加上 volatile 还有一个另外的用途：避免此处赋值操作的指令重排序。

懒汉模式的最终代码版本：

/**
 * 代码示例：
 * 单例模式中的懒汉模式
 */
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(){

    }
}

public class testLazy {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();

//        同样也是可以通过非常规手段：反射机制 获取类的实例
        Class<SingletonLazy> s3 = SingletonLazy.class;
        System.out.println(s3.equals(s1));

        System.out.println(s1.equals(s2));
    }
}

懒汉模式代码的3大要点：
1、加锁
2、双重if
3、volatile

从字面上理解/区分饿汉模式和懒汉模式会比较抽象，举2个例子加深一下理解：
譬如说日常生活中，吃完饭之后需要洗碗，有的人习惯吃完饭后立即洗碗，有的人习惯吃完饭后将碗放到一边，等到下顿饭要吃的时候才洗碗。夜宵大家会觉得吃完饭之后立即洗碗是一种高效率的生活方式，但其实在不考虑卫生的情况下，吃完饭后不洗碗，等到下次开饭再洗碗然后接着用，其实效率会更高。比如说这顿吃完有4个碗，下顿开饭只需要用到2个碗，此时就只需要洗2个碗来用就行了，效率大大提高了。

还譬如说：假设编辑器打开一个很大的文件，有的编辑器会一下尝试把所有内容都加载到内存中，再显示出来，这是典型的饿汉模式。有的编辑器，则只加载一部分内容（一个屏幕能显示的内容），其他部分，当用户翻页想要浏览时，再加载出来，这是典型的懒汉模式。