单例模式和工厂模式

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今日良言：关关难过关关过，步步难行步步行

一、单例模式

1.饿汉模式

2.懒汉模式

二、工厂模式

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今日良言：关关难过关关过，步步难行步步行

 

一、单例模式

首先来解释一下，什么是单例模式。

单例模式也就是单个实例(对象)。在有些场景中，只能创建出一个实例，不应该创建多个实例。

单例模式，就是针对上述的需求场景进行了个更强制的保证，通过巧用 java 现有的语法，达成了某个类 只能被创建出一个实例，这样的效果.(当程序猿不小心创建了多个实例，就会编译报错)。

单例模式最常见的两种就是：饿汉模式和懒汉模式。

1.饿汉模式

代码如下:

class Singleton{
    // 在此处就把实例给创建出来了
    private static Singleton instance = new Singleton();
    // 如果需要使用这个唯一的实例，统一通过这个方法获取
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
    // 为了避免Singleton 类不小心被赋值出多份，将构造方法设置成private.
    // 此时就无法通过new 的方式来创建这个Singleton 实例了。
    private Singleton(){}
}
public class Exercise {
    public static void main(String[] args)  {
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

 

在类加载阶段就将实例创建好了，这种效果就给人一种“特别急切”的感觉。

被static修饰表示这个属性和实例无关，而是和类相关。

Java 代码中的每个类，都会在编译完成后得到.class 文件，JVM 运行时就会加载这个.class文件，读取其中的二进制指令，并且在内存中构造出对应过的类对象(形如：Singleton.class)，具体的类加载可以阅读博主之前写的博客：

深度剖析JVM三个面试常考知识点_程序猿小马的博客-CSDN博客

由于 类对象在一个 Java 进程中是唯一的，因此这个类对象的内部的类属性也是唯一的。

static 在这里的作用有两个：

1）static 保证这个实例唯一。

2）static 保证这个实例确实在一定的时机被创建出来。

static 属于这个实现方式中的灵魂角色。

2.懒汉模式

代码实现:

class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
    // 构造方法设置成私有的
    private SingletonLazy(){}
}
public class Exercise {
    public static void main(String[] args)  {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

这个实例并非是类加载阶段创建，而是真正第一次使用的时候才去创建， 如果不用就不创建了。

上述写的饿汉模式和懒汉模式是在单线程情况下的代码，如果在多线程下调用getInstance 是否是线程安全的呢?

答案是：一个是线程安全的，一个是线程不安全的。

饿汉模式是线程安全的，因为饿汉模式的 getInstance 方法只涉及到“读操作”。

懒汉模式是线程不安全的，因为懒汉模式的 getInstance 方法既有读操作又有写操作。

线程安全问题的详细解释，博主在之前的博客中有提到：

线程安全问题_程序猿小马的博客-CSDN博客

这里如果在多线程情况下调用懒汉模式的 getInstance 方法，会发生多次 new 操作，显然就不是单例了。

那么，如何让上述懒汉模式能够成为线程安全的呢？

加锁！！！

上述线程安全问题本质上是 修改操作不是原子的，因此，需要保证这个修改操作是原子的。

修改代码如下:

 此时，把锁加到外面，保证了读操作和修改操作是一个整体。

但是，代码写到这里，还有问题，上述这种写法，就导致了每次 getInstance 都需要加锁，加锁操作都是有开销的，仔细考虑一下，这里真的需要每次都加锁吗？

显然不是，这里的加锁只是在new出对象之前加上是有必要的，一旦对象 new 完以后，后续调用 getInstance ，此时 instance 一定是非空的，因此会直接 return。

基于上述讨论，就可以给刚才的代码加上一个判定：

如果对象还没创建才加锁，如果对象已经创建过了，就不加锁了。

修改代码如下:

此时，这里就不再是无脑加锁了，而是满足了特定条件之后，才真正加锁。 

注意：

这两个if 的作用不一样，第一个if 判断是否要加锁，第二个if 判断是否要创建对象。

加锁操作可能会引起线程阻塞，当执行到锁结束之后，执行到第二个 if 的时候，第二个 if 和第一个 if 之间可能已经隔了很久的时间了，instance 变量可能已经被别的线程给修改过了，所以需要第二次 if 判断当前线程是否需要创建对象。

上述代码其实还存在问题: 内存可见性问题以及指令重排序

关于这个问题，博主之前的博客也有详细介绍：

线程安全问题_程序猿小马的博客-CSDN博客 

内存可见性问题：

假设有很多线程都去进行 getInstance ，这个时候，可能会存在被优化的风险(只有第一次读的时候，才真正的读了内存，后续都是读寄存器)

指令重排序：

instance = new SingletonLazy();  

这个操作可以拆分为三个步骤：

1）申请内存空间。

2）调用构造方法，把这个内存空间初始化成一个合理的对象。

3）把内存空间的地址赋值给 instance 引用。

正常情况下，是按照 1 2 3 这个顺序执行代码，但是编译器存在指令重排序问题，编译器为了提高程序效率，会调整代码执行顺序， 1 2 3 可能就变成了 1 3  2 ，如果是单线程下，1 2 3 和 1 3 2 没有本质区别，但是多线程下就会出现问题了。 

假设线程 t1 是 按照 1 3 2 的步骤执行的，t1 执行到 1 3 之后，执行 2 之前，被切除 cpu ，此时 t2执行，（当 t1 执行完 3 之后，t2 看起来此处的引用就非空了）此时此刻，t2 就相当于直接返回了 instance 引用，并且可能会尝试使用引用中的属性，但是由于 t1 中的 2 操作还没执行完呢，t2 拿到的是非法的对象，还没构造完成的不完整的对象。

因此，需要解决上述问题，使用 volatile  ！！！

修改代码如下：

 懒汉模式完整代码如下:

class SingletonLazy {
    private volatile static SingletonLazy instance = null;
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonLazy.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new SingletonLazy();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    // 构造方法设置成私有的
    private SingletonLazy(){}
}
public class Exercise {
    public static void main(String[] args)  {
        SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
        SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
        System.out.println(s1 == s2);
    }
}

二、工厂模式

先来解释一下什么是工厂模式。

工程模式用一句话概括：使用普通的方法，来代替构造方法创建对象。

为什么要代替呢？ 这是因为构造方法有坑，坑就体现在，如果只构造一种对象，好办，如果要构造多种不同的情况，就不好办了。

举个例子：

假设现在有一个类，表示平面上的一个点

 上述构造方法表示使用笛卡尔坐标系提供的坐标来构造点。

如果这里假设再使用极坐标来构造点，代码如下：

很明显，这个代码存在问题，正常来说，多个构造方法，是通过“重载”的方式来提供的，重载要求的是 方法名相同，参数的个数或者类型不同。

 

为了解决这个问题，就可以使用工厂模式：

 普通方法的方法名没有限制，因此有多种方式构造，使用不同的方法名即可。

以上就是单例模式和工厂模式的介绍。