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目錄
- 一、背景
- 二、單例模式
- 1、概念
- 2、網站計數的單例實現
- 2.1 餓漢模式
- 2.2 懶漢模式
- 2.3 枚舉類實現單例模式
- 三、總結
一、背景
- 在企業網站後台系統中，一般會將網站統計單元進行獨立設計，比如登錄人數的統計、IP數量的計數等。在這類需要完成全局統計的過程中，就會用到單例模式，即整個系統只需要擁有一個計數的全局對象。
- 在網站登錄這個高併發場景下，由這個全局對象負責統計當前網站的登錄人數、IP等，即節約了網站服務器的資源，又能保證計數的準確性。
二、單例模式
1、概念
單例模式是最常見的設計模式之一，也是整個設計模式中最簡單的模式之一。
單例模式需確保這個類只有一個實例，而且自行實例化並向整個系統提供這個實例；這個類也稱為單例類，提供全局訪問的方法。
單例模式有三大要點：
- 構造方法私有化；
— private Singleton() { } - 實例化的變量引用私有化；
— private static final Singleton APP_INSTANCE = new Singleton(); - 獲取實例的方法共有
— public static SimpleSingleton getInstance() {
— return APP_INSTANCE;
— }
2、網站計數的單例實現
實現單例模式有多種寫法，這裏我們只列舉其中最常用的三種實現方式，且考慮到網站登錄高併發場景下，將重點關注多線程環境下的安全問題。
- 登錄線程的實現
我們先創建一個登錄線程類，用於登錄及登錄成功后調用單例對象進行計數。
/**
* 單例模式的應用--登錄線程
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class Login implements Runnable {
// 登錄名稱
private String loginName;
public String getLoginName() {
return loginName;
}
public void setLoginName(String loginName) {
this.loginName = loginName;
}
@Override
public void run() {
// TODO
// 登錄成功后調用單例對象進行計數
}
}
- 主程序的實現
編寫一個主程序，利用多線程技術模擬10個用戶併發登錄，完成登錄后輸出登錄人次計數。
/**
* 單例模式--主程序
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class App {
public final static int num = 10;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads = new Thread[num];
for (int i = 0; i < num; i++) {
Login login = new Login();
login.setLoginName("" + String.format("%2s", (i + 1)) + "號用戶");
threads[i] = new Thread(login);
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].join();
}
// TODO
// 調用單例對象輸出登錄人數統計
}
2.1 餓漢模式
- 在程序啟動之初就進行創建（ 不管三七二十一，先創建出來再說）。
- 天生的線程安全。
- 無論程序中是否用到該單例類都會存在。
/**
* 餓漢式單例模式
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class SimpleSingleton implements Serializable {
// 單例對象
private static final SimpleSingleton APP_INSTANCE = new SimpleSingleton();
// 計數器
private AtomicLong count = new AtomicLong(0);
// 單例模式必須保證默認構造方法為私有類型
private SimpleSingleton() {
}
public static SimpleSingleton getInstance() {
return APP_INSTANCE;
}
public AtomicLong getCount() {
return count;
}
public void setCount() {
count.addAndGet(1);
}
}
我們將餓漢模式的單例對象加入進登錄線程及主程序中進行測試：
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/**
* 單例模式的應用--登錄線程
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class Login implements Runnable {
// 登錄名稱
private String loginName;
public String getLoginName() {
return loginName;
}
public void setLoginName(String loginName) {
this.loginName = loginName;
}
@Override
public void run() {
// 餓漢式單例
SimpleSingleton simpleSingleton= SimpleSingleton.getInstance();
simpleSingleton.setCount();
System.out.println(getLoginName()+"登錄成功:"+simpleSingleton.toString());
}
}
/**
* 單例模式--主程序
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class App {
public final static int num = 10;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads = new Thread[num];
for (int i = 0; i < num; i++) {
Login login = new Login();
login.setLoginName("" + String.format("%2s", (i + 1)) + "號用戶");
threads[i] = new Thread(login);
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].join();
}
System.out.println("網站共有"+SimpleSingleton.getInstance().getCount()+"個用戶登錄");
}
}
輸出如下：
10個線程併發登錄過程中，獲取到了同一個對象引用地址，即該單例模式是有效的。
2.2 懶漢模式
- 在初始化時只進行定義。
- 只有在程序中調用了該單例類，才會完成實例化（ 沒人動我，我才懶得動）。
- 需通過線程同步技術才能保證線程安全。
我們先看下未使用線程同步技術的例子：
/**
* 懶漢式單例模式--未應用線程同步技術
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class LazySingleton {
// 單例對象
private static LazySingleton APP_INSTANCE;
// 計數器
private AtomicLong count = new AtomicLong(0);
// 單例模式必須保證默認構造方法為私有類型
private LazySingleton() {
}
public static LazySingleton getInstance() {
if (APP_INSTANCE == null) {
APP_INSTANCE = new LazySingleton();
}
return APP_INSTANCE;
}
public AtomicLong getCount() {
return count;
}
public void setCount() {
count.addAndGet(1);
}
}
/**
* 單例模式的應用--登錄線程
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class Login implements Runnable {
....
@Override
public void run() {
// 餓漢式單例
LazySingleton lazySingleton =LazySingleton.getInstance();
lazySingleton.setCount();
System.out.println(getLoginName()+"登錄成功:"+lazySingleton);
}
}
/**
* 單例模式--主程序-
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class App {
public final static int num = 10;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads = new Thread[num];
for (int i = 0; i < num; i++) {
Login login = new Login();
login.setLoginName("" + String.format("%2s", (i + 1)) + "號用戶");
threads[i] = new Thread(login);
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].join();
}
System.out.println("網站共有" + LazySingleton.getInstance().getCount() + "個用戶登錄");
}
}
輸出結果：
10個線程併發登錄過程中，獲取到了四個對象引用地址，該單例模式失效了。
對代碼進行分析：
// 未使用線程同步
public static LazySingleton getInstance() {
// 在多個線程併發時，可能會有多個線程同時進入 if 語句，導致產生多個實例
if (APP_INSTANCE == null) {
APP_INSTANCE = new LazySingleton();
}
return APP_INSTANCE;
}
我們使用線程同步技術對懶漢式模式進行改進：
/**
* 懶漢式單例模式
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class LazySingleton {
// 單例對象 ,加入volatile關鍵字進行修飾
private static volatile LazySingleton APP_INSTANCE;
// 計數器
private AtomicLong count = new AtomicLong(0);
// 單例模式必須保證默認構造方法為私有類型
private LazySingleton() {
}
public static LazySingleton getInstance() {
if (APP_INSTANCE == null) {
// 對類進行加鎖，並進行雙重檢查
synchronized (LazySingleton.class) {
if (APP_INSTANCE == null) {
APP_INSTANCE = new LazySingleton();
}
}
}
return APP_INSTANCE;
}
public AtomicLong getCount() {
return count;
}
public void setCount() {
count.addAndGet(1);
}
}
再測試運行：
10個線程併發登錄過程中，獲取到了同一個對象引用地址，即該單例模式有效了。
2.3 枚舉類實現單例模式
《Effective Java》 推薦使用枚舉的方式解決單例模式。這種方式解決了最主要的；線程安全、自由串行化、單一實例。
/**
* 利用枚舉類實現單例模式
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public enum EnumSingleton implements Serializable {
// 單例對象
APP_INSTANCE;
// 計數器
private AtomicLong count = new AtomicLong(0);
// 單例模式必須保證默認構造方法為私有類型
private EnumSingleton() {
}
public AtomicLong getCount() {
return count;
}
public void setCount() {
count.addAndGet(1);
}
}
/**
* 單例模式的應用--登錄線程
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class Login implements Runnable {
...
@Override
public void run() {
EnumSingleton enumSingleton = EnumSingleton.APP_INSTANCE;
enumSingleton.setCount();
System.out.println(getLoginName()+"登錄成功:"+enumSingleton.toString());
}
}
/**
* 單例模式--主程序
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class App {
public final static int num = 10;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads = new Thread[num];
for (int i = 0; i < num; i++) {
Login login = new Login();
login.setLoginName("" + String.format("%2s", (i + 1)) + "號用戶");
threads[i] = new Thread(login);
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].join();
}
System.out.println("網站共有"+EnumSingleton.APP_INSTANCE.getCount()+"個用戶登錄");
}
}
輸出如下：
10個線程併發登錄過程中，該單例模式是有效的。
三、總結
- 文中首先說明了單例模式在網站計數的應用：創建唯一的全局對象實現統計單元的計數。
- 根據該需求，建立了Login登錄線程類及App主程序，模擬多用戶同步併發登錄。
- 分別設計了餓漢模式、懶漢模式、枚舉類三種不同的實現單例模式的方式。
- 在設計單例模式的過程中，特別要注意線程同步安全的問題，文中以懶漢模式列出了線程不同步的實際例子。
- 延伸思考：《Effective Java》為什麼說實現單例模式的最佳方案是單元素枚舉類型？
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