一、背景
- 在企业网站后台系统中，一般会将网站统计单元进行独立设计，比如登录人数的统计、IP数量的计数等。在这类需要完成全局统计的过程中，就会用到单例模式，即整个系统只需要拥有一个计数的全局对象。
- 在网站登录这个高并发场景下，由这个全局对象负责统计当前网站的登录人数、IP等，即节约了网站服务器的资源，又能保证计数的准确性。
二、单例模式
1、概念
单例模式是最常见的设计模式之一，也是整个设计模式中最简单的模式之一。
单例模式需确保这个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例；这个类也称为单例类，提供全局访问的方法。
单例模式有三大要点：
- 构造方法私有化；
-- private Singleton() { } - 实例化的变量引用私有化；
-- private static final Singleton APP_INSTANCE = new Singleton(); - 获取实例的方法共有
-- public static SimpleSingleton getInstance() {
-- return APP_INSTANCE;
-- }
2、网站计数的单例实现
实现单例模式有多种写法，这里我们只列举其中最常用的三种实现方式，且考虑到网站登录高并发场景下，将重点关注多线程环境下的安全问题。
- 登录线程的实现
我们先创建一个登录线程类，用于登录及登录成功后调用单例对象进行计数。
/**
* 单例模式的应用--登录线程
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class Login implements Runnable {
// 登录名称
private String loginName;
public String getLoginName() {
return loginName;
}
public void setLoginName(String loginName) {
this.loginName = loginName;
}
@Override
public void run() {
// TODO
// 登录成功后调用单例对象进行计数
}
}- 主程序的实现
编写一个主程序，利用多线程技术模拟10个用户并发登录，完成登录后输出登录人次计数。
/**
* 单例模式--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)) + "号用户");
threads[i] = new Thread(login);
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].join();
}
// TODO
// 调用单例对象输出登录人数统计
}2.1 饿汉模式
- 在程序启动之初就进行创建（ 不管三七二十一，先创建出来再说）。
- 天生的线程安全。
- 无论程序中是否用到该单例类都会存在。
/**
* 饿汉式单例模式
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class SimpleSingleton implements Serializable {
// 单例对象
private static final SimpleSingleton APP_INSTANCE = new SimpleSingleton();
// 计数器
private AtomicLong count = new AtomicLong(0);
// 单例模式必须保证默认构造方法为私有类型
private SimpleSingleton() {
}
public static SimpleSingleton getInstance() {
return APP_INSTANCE;
}
public AtomicLong getCount() {
return count;
}
public void setCount() {
count.addAndGet(1);
}
}我们将饿汉模式的单例对象加入进登录线程及主程序中进行测试：
/**
* 单例模式的应用--登录线程
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class Login implements Runnable {
// 登录名称
private String loginName;
public String getLoginName() {
return loginName;
}
public void setLoginName(String loginName) {
this.loginName = loginName;
}
@Override
public void run() {
// 饿汉式单例
SimpleSingleton simpleSingleton= SimpleSingleton.getInstance();
simpleSingleton.setCount();
System.out.println(getLoginName()+"登录成功:"+simpleSingleton.toString());
}
}
/**
* 单例模式--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)) + "号用户");
threads[i] = new Thread(login);
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].join();
}
System.out.println("网站共有"+SimpleSingleton.getInstance().getCount()+"个用户登录");
}
}输出如下：
10个线程并发登录过程中，获取到了同一个对象引用地址，即该单例模式是有效的。
2.2 懒汉模式
- 在初始化时只进行定义。
- 只有在程序中调用了该单例类，才会完成实例化（ 没人动我，我才懒得动）。
- 需通过线程同步技术才能保证线程安全。
我们先看下未使用线程同步技术的例子：
/**
* 懒汉式单例模式--未应用线程同步技术
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class LazySingleton {
// 单例对象
private static LazySingleton APP_INSTANCE;
// 计数器
private AtomicLong count = new AtomicLong(0);
// 单例模式必须保证默认构造方法为私有类型
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);
}
}/**
* 单例模式的应用--登录线程
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class Login implements Runnable {
....
@Override
public void run() {
// 饿汉式单例
LazySingleton lazySingleton =LazySingleton.getInstance();
lazySingleton.setCount();
System.out.println(getLoginName()+"登录成功:"+lazySingleton);
}
}
/**
* 单例模式--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)) + "号用户");
threads[i] = new Thread(login);
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].join();
}
System.out.println("网站共有" + LazySingleton.getInstance().getCount() + "个用户登录");
}
}输出结果：
10个线程并发登录过程中，获取到了四个对象引用地址，该单例模式失效了。
对代码进行分析：
// 未使用线程同步
public static LazySingleton getInstance() {
// 在多个线程并发时，可能会有多个线程同时进入 if 语句，导致产生多个实例
if (APP_INSTANCE == null) {
APP_INSTANCE = new LazySingleton();
}
return APP_INSTANCE;
}我们使用线程同步技术对懒汉式模式进行改进：
/**
* 懒汉式单例模式
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public class LazySingleton {
// 单例对象 ,加入volatile关键字进行修饰
private static volatile LazySingleton APP_INSTANCE;
// 计数器
private AtomicLong count = new AtomicLong(0);
// 单例模式必须保证默认构造方法为私有类型
private LazySingleton() {
}
public static LazySingleton getInstance() {
if (APP_INSTANCE == null) {
// 对类进行加锁，并进行双重检查
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);
}
}再测试运行：
10个线程并发登录过程中，获取到了同一个对象引用地址，即该单例模式有效了。
2.3 枚举类实现单例模式
《Effective Java》 推荐使用枚举的方式解决单例模式。这种方式解决了最主要的；线程安全、自由串行化、单一实例。
/**
* 利用枚举类实现单例模式
*
* @author zhuhuix
* @date 2020-06-01
*/
public enum EnumSingleton implements Serializable {
// 单例对象
APP_INSTANCE;
// 计数器
private AtomicLong count = new AtomicLong(0);
// 单例模式必须保证默认构造方法为私有类型
private EnumSingleton() {
}
public AtomicLong getCount() {
return count;
}
public void setCount() {
count.addAndGet(1);
}
}/**
* 单例模式的应用--登录线程
*
* @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()+"登录成功:"+enumSingleton.toString());
}
}
/**
* 单例模式--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)) + "号用户");
threads[i] = new Thread(login);
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
threads[i].join();
}
System.out.println("网站共有"+EnumSingleton.APP_INSTANCE.getCount()+"个用户登录");
}
}
输出如下：
10个线程并发登录过程中，该单例模式是有效的。
三、总结
- 文中首先说明了单例模式在网站计数的应用：创建唯一的全局对象实现统计单元的计数。
- 根据该需求，建立了Login登录线程类及App主程序，模拟多用户同步并发登录。
- 分别设计了饿汉模式、懒汉模式、枚举类三种不同的实现单例模式的方式。
- 在设计单例模式的过程中，特别要注意线程同步安全的问题，文中以懒汉模式列出了线程不同步的实际例子。
- 延伸思考：《Effective Java》为什么说实现单例模式的最佳方案是单元素枚举类型？