深度学习设计模式之单例模式

news2024/9/22 9:40:03

一、单例模式简介

一个类只能有一个实例，提供该实例的全局访问点；

二、单例模式实现步骤

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。
私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。
在这里插入图片描述

三、单例模式的两种方式

在这里插入图片描述

1.懒汉模式

懒汉模式，通俗来讲就是只有饿的时候，才会去找饭吃。通常只有对象被需要的时候才会去创建。最显而易见的优点就是，节省资源。如果没有地方用到这个类，这个类将不会进行实例化。

1.1 简易版懒汉模式

public class LzaySingleton {

    /**
     * 成员变量
     */
    private static LzaySingleton lzaySingleton;

    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private LzaySingleton(){

    }

    /**
     * 获取单例对象
     * @return
     */
    public static LzaySingleton  getInstance(){
        if(lzaySingleton == null){
            System.out.println("创建实例");
            lzaySingleton =  new LzaySingleton();
            return lzaySingleton;
        }
        System.out.println("实例对象已存在，无需再创建");
        return lzaySingleton;
    }

}

测试类

    public static void main(String[] args) {
        // 先创建一个对象，看是否有输出
        LzaySingleton lzaySingleton = LzaySingleton.getInstance();

        LzaySingleton lzaySingleton1 = LzaySingleton.getInstance();

    }

结果：
在这里插入图片描述
简易版的单例模式存在的问题就是：在多线程的情况下是不安全的，会打破单例的定义。
例如：有2个线程，线程A，线程B；同时成员变量lzaySingleton为null；线程A，线程B，同时走到if(lzaySingleton == null)，那将会执行两次lzaySingleton = new LzaySingleton();就会实例化两次对象，从而打破单例模式的设定。
在这里插入图片描述
怎么解决呢？接下来就是我们另外一种懒汉单例模式登场了。

1.2线程安全的单例模式

怎么解决线程安全？那就很简单了，加锁就可以了。
只需要再getInstance()方法上加 synchronized就行，这样保证同一个时间点，只会有一个线程进入到这个方法，从而解决多次创建实例的问题。

public class LzaySingleton {

    /**
     * 成员变量
     */
    private static LzaySingleton lzaySingleton;

    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private LzaySingleton(){

    }

    /**
     * 获取单例对象
     * @return
     */
    public static synchronized LzaySingleton  getInstance(){
        if(lzaySingleton == null){
            System.out.println("创建实例");
            lzaySingleton =  new LzaySingleton();
            return lzaySingleton;
        }
        System.out.println("实例对象已存在，无需再创建");
        return lzaySingleton;
    }

}

以上的方法虽然可以解决多线程的问题，但是往往单例对象的内容逻辑是非常复杂的，使用synchronized 修饰方法，当其他线程进入该方法的时候，就会进入等待，对性能还是有一定影响的。
解决这个问题，可以灵活的使用synchronized。

1.3 线程安全的单例模式V2.0版

为了解决synchronized修饰方法带来的系统开销。我们可以通过灵活运用synchronized来解决此问题。众所周知synchronized 加锁是有多种方式的。我们使用代码块的方式，只有再创建对象的时候使用 synchronized。

public class LzaySingleton {

    /**
     * 成员变量
     */
    private static LzaySingleton lzaySingleton;

    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private LzaySingleton(){

    }

    /**
     * 获取单例对象
     * @return
     */
    public static LzaySingleton  getInstance(){
        if(lzaySingleton == null){
        	//  synchronized 代码块
            synchronized (LzaySingleton.class){
                System.out.println("创建实例");
                lzaySingleton =  new LzaySingleton();
            }
            return lzaySingleton;
        }
        System.out.println("实例对象已存在，无需再创建");
        return lzaySingleton;
    }

}

这种方式虽然解决了，锁粒度问题带来的性能开销问题，但是又有一个致命问题，我们又回到解放前了。
同样的多线程问题，如果线程A,线程B，同时又到了这一步：
在这里插入图片描述
线程A和B拿到的对象都是null,然后线程A侥幸拿到了锁，线程B就只能再外面等待线程A。同样的问题就会再现，线程A执行完lzaySingleton = new LzaySingleton();线程B就会拿到锁，然后再执行一次lzaySingleton = new LzaySingleton();，所有使用synchronized 代码块的方式加锁，还不够完善。

1.3 线程安全的单例模式V2.1版-双重校验锁

因为上面使用了synchronized 代码块的方式加锁，减少了系统的开销，但是也带来了新的问题，因此我们多增加一个判断，如下：

public class LzaySingleton {

    /**
     * 成员变量
     */
    private static LzaySingleton lzaySingleton;

    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private LzaySingleton(){

    }

    /**
     * 获取单例对象
     * @return
     */
    public static LzaySingleton  getInstance(){
        if(lzaySingleton == null){
            synchronized (LzaySingleton.class){
                if(lzaySingleton == null){
                    System.out.println("创建实例");
                    lzaySingleton =  new LzaySingleton();
                }
            }
            return lzaySingleton;
        }
        System.out.println("实例对象已存在，无需再创建");
        return lzaySingleton;
    }

}

这样，即使线程A和线程B同时都到了这一步：
在这里插入图片描述
即使A拿到了锁，执行完lzaySingleton = new LzaySingleton();以后，到B执行时也会被这个校验给拦住
在这里插入图片描述
至此高性能加锁的单例模式完成，但是他还不是最终版本，依旧存在一些小问题。

1.3 线程安全的单例模式V3.0版-双重校验锁终极版本

目前代码层面已经解决问题，但是深究底层，时 lzaySingleton = new LzaySingleton();这个操作并不是原子性的，因为底层在编译运行代码的时候，会对当前代码进行优化，会存在指令重排序情况。而 new LzaySingleton() 时至少需要3步才能完成。
1.分配内存空间；
2.实例化对象；
3.将对象指向分配的空间地址；
如果编译的时候进行了指令重排序，本来正常操作时 1 -> 2 -> 3这样，重排序后则可能会出现 1-> 3 -> 2 这个时候，单线程肯定没问题，但是在多线程的情况下，因为对象还没创建完成，其他线程执行到这里的时候，认为对象不为空，已经实例化成功了，就直接获取对象使用了。其实拿到的对象并不是最终的对象，只是一个半成品的，所以使用的过程中，就会出现意想不到的问题。
在这里插入图片描述
这个时候就需要使用 JVM的关键字 volatile 来解决指令重排序的问题了。
简单介绍一下 volatile
1.volatile有3个特性：可见性、有序性、原子性；
可见性是当多个线程同时访问一个变量的时候，其中一个线程修改了变量的值，其他线程能立刻看到修改的变量值。
有序性是禁止了指令重排序，执行程序代码时，按照顺序来执行。
原子性是一个操作是不能中断的，要不全部都执行，要不都不执行。
2. volatile 是用来修饰变量的，无法修饰代码块和方法。
3. volatile的使用：只要修饰一个 可能被多线程同时访问的变量上就行。
详细情况可自行查询相关资料。

最终代码如下： 对成员变量lzaySingleton 进行了volatile 修饰，防止了创建时的指令重排序。

public class LzaySingleton {

    /**
     * 成员变量
     */
    private static volatile LzaySingleton lzaySingleton;

    /**
     * 构造方法私有化
     */
    private LzaySingleton(){

    }

    /**
     * 获取单例对象
     * @return
     */
    public static LzaySingleton  getInstance(){
        if(lzaySingleton == null){
            synchronized (LzaySingleton.class){
                if(lzaySingleton == null){
                    System.out.println("创建实例");
                    lzaySingleton =  new LzaySingleton();
                }
            }
            return lzaySingleton;
        }
        System.out.println("实例对象已存在，无需再创建");
        return lzaySingleton;
    }

}

至此单例模式的懒汉模式最终版完成。

2.饿汉模式

饿汉模式相对来说，比较简单，通俗来说就是，一上来就先去找吃的和懒汉相反。系统加载的时候就初始化对象。优点就是简单，不存在什么多线程问题。缺点就是占用内存。
实现如下：

public class HungrySingleton {
    // 一开始就初始化对象
    private static HungrySingleton hungrySingleton = new HungrySingleton();
    // 私有化构造方法
    private HungrySingleton(){}

    public static HungrySingleton getInstance(){
        return hungrySingleton;
    }
}

四、扩展实现单例

1.使用枚举的方式实现单例模式

使用枚举的方式实现单例模式，是《Effective java》一书中提到的
在这里插入图片描述
上面的几种方式已经实现了单例模式，但是如果碰到特殊的情况，比如反射的时候，通过 setAccessible() 方法还是可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象的。使用枚举就天然的解决反射问题。

直接在枚举类里面写功能方法，代码如下：

public enum SingletonEnum {

    INSTANCE
    ;
    public void test(){
        System.out.println("1111");
    }
}

测试类

   public static void main(String[] args) {
        SingletonEnum.INSTANCE.test();

    }

结果
在这里插入图片描述

2.使用内部类的方式实现单例模式

内部类的方式实现单例模式，加载Singleton的时候静态内部类 SingletonHolder 不会被加载。 只有调用 getInstance()方法的时候才会去初始化对象。这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由虚拟机提供了对线程安全的支持。
以下是代码实现：

/**
 * 静态内部类方式实现单例
 */
public class Singleton {

    // 私有化构造方法
    private Singleton(){}

    public void test(){
        System.out.println("2222");
    }
    /**
     * 静态内部类
     */
    private static class SingletonHolder{
        // 初始化对象
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

}

测试类

    public static void main(String[] args) {
        Singleton.getInstance().test();

    }

结果
在这里插入图片描述

FAQ

1.为什么要私有化构造方法？

单例模式主要特点就是保证对象只被实例化一次，所以构造方法的私有化，才能保证不能随便的去new() 对象，从而保证对象只能初始化一次。

2.为什么成员变量要用 static 修饰？

程序调用类中方法只有两种方式，①创建类的一个对象，用该对象去调用类中方法；②使用类名直接调用类中方法，格式“类名.方法名()”；
现在没有办法new 对象了，所以只能使用第二种方式。
java中静态方法没有办法调用非静态的类或者变量，所以成员变量也需要使用static来修饰。

3.单例模式的应用场景？

  • 数据库连接池：数据库连接池是一个重要的资源，单例模式可以确保应用程序中只有一个数据库连接池实例，避免资源浪费。
  • 配置文件管理器：应用程序通常需要一个配置文件管理器来管理配置文件，单例模式可以确保在整个应用程序中只有一个这样的实例。
  • 缓存系统：缓存系统是提高应用程序性能的重要组件，单例模式可以确保只有一个缓存实例。

4.单例模式使用的注意情况

单例模式主要分为 懒汉 和饿汉，我们通常再使用的时候要综合评估两种方式的优缺点，决定使用，比如：对于一些占用内存小的类我们使用饿汉模式，占用内存较大的类我们就使用懒汉模式。一开始就需要加载的并且会被频繁使用的就用饿汉模式。

5.JDK中的单例

java.lang.Runtime类使用的就是单例模式（饿汉），这个类是运行时的类，很多信息需要获取所以使用的是饿汉单例模式，如下：
在这里插入图片描述
java.awt.Desktop类使用的是懒汉单例模式：
在这里插入图片描述

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