JAVA设计模式-单例模式(Singleton)线程安全与效率

一，前言

　　单例模式详细大家都已经非常熟悉了，在文章单例模式的八种写法比较中，对单例模式的概念以及使用场景都做了很不错的说明。请在阅读本文之前，阅读一下这篇文章，因为本文就是按照这篇文章中的八种单例模式进行探索的。

　　本文的目的是：结合文章中的八种单例模式的写法，使用实际的示例，来演示线程安全和效率

　　既然是实际的示例，那么就首先定义一个业务场景：购票。大家都知道在春运的时候，抢票是非常激烈的。有可能同一张票就同时又成百上千的人同时在抢。这就对代码逻辑的要求很高了，即不能把同一张票多次出售，也不能出现票号相同的票。

　　那么，接下来我们就使用单例模式，实现票号的生成。同时呢在这个过程中利用上述文章中的八种单例模式的写法，来实践这八种单例模式的线程安全性和比较八种单例模式的效率。

　　既然文章中第三种单例模式（懒汉式）是线程不安全的，那么我就从这个单例模式的实现开始探索一下线程安全。

　　因为不管是八种单例模式的实现方式的哪一种，票号的生成逻辑都是一样的，所以，在此正式开始之前，为了更方便的编写示例代码，先做一些准备工作：封装票号生成父类代码。

二，封装票号生成父类代码

package com.zcz.singleton;

public class TicketNumberHandler {
    //记录下一个唯一的号码
    private long nextUniqueNumber = 1;
    /**
     * 返回生成的号码
     * @return
     */
    public Long getTicketNumber() {
        return nextUniqueNumber++;
    }
}

　　票号的生成逻辑很简单，就是一个递增的整数，每获取一次，就增加1。以后我们的每一种单例模式都继承这个父类，就不用每一次都编写这部分代码，做到了代码的重用。

　　接下来就是实现第三种单例模式，探索一下会不会引起线程安全问题。

三，实现第三种单例模式

package com.zcz.singleton;

/**
 * 票号生成类——单利模式，即整个系统中只有唯一的一个实例
 * @author zhangchengzi
 *
 */
public class TicketNumberHandler3 extends TicketNumberHandler{
    //保存单例实例对象
    private static TicketNumberHandler3 INSTANCE;
    //私有化构造方法
    private TicketNumberHandler3() {};

    /**
     * 懒汉式，在第一次获取单例对象的时候初始化对象
     * @return
     */
    public static TicketNumberHandler3 getInsatance() {
        if(INSTANCE == null) {
            try {
                //这里为什么要让当前线程睡眠1毫秒呢？
                //因为在正常的业务逻辑中，单利模式的类不可能这么简单，所以实例化时间会多一些
                //让当前线程睡眠1毫秒
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
            INSTANCE = new TicketNumberHandler3();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

　　代码与上述文章的一模一样，那么接下来就开始编写测试代码。

四，编写测试代码

package com.zcz.singleton;

import java.util.ArrayList;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Objects;
import java.util.Set;
import java.util.Vector;

public class BuyTicket {
    public static void main(String[] args) {
        // 用户人数
        int userNumber = 10000;
        // 保存用户线程
        Set<Thread> threadSet = new HashSet();

        // 用于存放TicketNumberHandler实例对象
        List<TicketNumberHandler> hanlderList = new Vector();
        // 保存生成的票号
        List<Long> ticketNumberList = new Vector();

        // 定义购票线程，一个线程模拟一个用户
        for(int i=0;i<userNumber;i++) {
            Thread t = new Thread() {
                public void run() {
                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler3.getInsatance();
                    hanlderList.add(handler);

                    Long ticketNumber = handler.getTicketNumber();
                    ticketNumberList.add(ticketNumber);
                };
            };
            threadSet.add(t);
        }
        System.out.println("当前购票人数："+threadSet.size()+" 人");

        //记录购票开始时间
        long beginTime = System.currentTimeMillis();
        for(Thread t : threadSet) {
            //开始购票
            t.start();
        }        

        //记录购票结束时间
        long entTime;
        while(true) {
            //除去mian线程之外的所有线程结果后在记录结束时间
            if(Thread.activeCount() == 1) {
                entTime = System.currentTimeMillis();
                break;
            }
        }
        //开始统计
        System.out.println("票号生成类实例对象数目："+new HashSet(hanlderList).size());
        System.out.println("共出票："+ticketNumberList.size()+"张");
        System.out.println("实际出票："+new HashSet(ticketNumberList).size()+"张");
        System.out.println("出票用时："+(entTime - beginTime)+" 毫秒");
    }
}

　　结合着代码中的注释，相信这部分测试代码理解起来并不难，首先初始化10000个线程，相当于10000个用户同时购票，然后启动这10000个线程开始购票，结束后做统计。

　　这里对代码中的hanlderList和ticketNumberList进行一下说明：

　　1，这连个List的作用是什么？这两个List是用来做统计的。

　　　　hanlderList用来存放单例对象，然后在最后统计的部分会转换为Set，去除重复的对象，剩余的对象数量就是真正的单例对象数量。如果真的是但是模式的话，在最后的统计打印的时候，票号生成类实例对象数目，应该是1。

　　　　ticketNumberList是用来存放票号的，同样的在最后的统计部分也会转换为Set去重，如果真的有存在重复的票号，那么打印信息中的实际出票数量应该小于共出票数量

　　2，这两个List为什么使用Vector而不是ArrayList，因为ArrayList是线程不安全的，如果使用ArrayList，在最后的统计中ArrayList 会出现null，这样我们的数据就不准确了。

　　那么，开始测试。

五，第三中单例模式的测试结果

　　右键 -> Run As -> Java Application。打印结果：

当前购票人数：10000 人
票号生成类实例对象数目：19
共出票：10000张
实际出票：9751张
出票用时：1130 毫秒

　　可以看到：

　　票号生成类实例对象数目：19

　　说明不只是有一个单例对象产生，原因在上述的文章中也做了解释说明。同时“共出票“实际出票数量”小于“共出票”属性，说明产生了票号相同的票。

　　ok，线程不安全的第三种单例示例结果之后，还有7中可用的线程安全的实现方式，我们就从1-8的顺序逐一检测，并通过执行时间来检测效率高低。

六，测试第一种单例模式：使用静态属性，并初始化单例

　　1，单例代码

package com.zcz.singleton;

public class TicketNumberHandler1 extends TicketNumberHandler{
    // 饿汉式，在类加载的时候初始化对象
    private static TicketNumberHandler1 INSTANCE = new TicketNumberHandler1();
    //私有化构造方法
    private TicketNumberHandler1() {};
    /**
     * 获取单例实例
     * @return
     */
    public static TicketNumberHandler1 getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

　　2，修改测试类中使用的单例　　

Thread t = new Thread() {
                public void run() {
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler3.getInsatance();
                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler1.getInstance();
                    Long ticketNumber = handler.getTicketNumber();
                    ticketNumberList.add(ticketNumber);
                };
            };

　　3，测试结果

当前购票人数：10000 人
票号生成类实例对象数目：1
共出票：10000张
实际出票：10000张
出票用时：1093 毫秒

　　跟上一次的打印结果相比对，票号生成类实例对象数目确实只有一个了，这说明第一种单例模式，在多线程下是可以正确使用的。

　　而且，实际出票数量和共出票数量相同，也是没有出现重复的票号的。但是真的是这样的吗？我么把用户数量调整到20000人，多执行几次代码试试看，你会发现偶尔会出现下面的打印结果：

当前购票人数：20000 人
票号生成类实例对象数目：1
共出票：20000张
实际出票：19996张
出票用时：5291 毫秒

　　票号生成类的实例对象一直是1，这没问题，因为单例模式在多线程环境下正确执行了。

　　但是实际出票数量小于了共出票数量，这说明出现了重复的票号，为什么呢？因为我们票号的生成方法，不是线程安全的

public Long getTicketNumber() {
        return nextUniqueNumber++;
    }    

　　代码中的nextUniqueNumber++是不具备原子性的，虽然看起来只有一行代码，但是实际上执行了三个步骤：读取nextUniqueNumber的值，将nextUniqueNumber的值加一，将结果赋值给nextUniqueNumber。

　　所以出现重复票号的原因在于：在赋值没有结束前，有多个线程读取了值。

　　怎么优化呢？最简单的就是使用同步锁。在getTicketNumber上添加关键字synchronized。

public synchronized Long getTicketNumber() {
        return nextUniqueNumber++;
    }    

　　还有另外一个方法，就是使用线程安全的AtomicLong

package com.zcz.singleton;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

public class TicketNumberHandler {
    private AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();
    //记录下一个唯一的号码
//    private long nextUniqueNumber = 1;
    /**
     * 返回生成的号码
     * @return
     */
    public synchronized Long getTicketNumber() {
//        return nextUniqueNumber++;
        return nextUniqueNumber.incrementAndGet();
    }
}

　　ok，解决了这里的问题之后，我们将用户人数，重新调整到10000人，运行10次，统计平均执行时间：1154.3毫秒

七，测试第二种单例模式：使用静态代码块

　　1，单例代码

package com.zcz.singleton;

public class TicketNumberHandler2 extends TicketNumberHandler {
    // 饿汉式
    private static TicketNumberHandler2 INSTANCE;

    //使用静态代码块，初始化对象
    static {
        INSTANCE = new TicketNumberHandler2();
    }
    //私有化构造方法
    private TicketNumberHandler2() {};
    /**
     * 获取单例实例
     * @return
     */
    public static TicketNumberHandler2 getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

　　2，修改测试代码

Thread t = new Thread() {
                public void run() {
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler3.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler1.getInstance();
                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler2.getInstance();
                    hanlderList.add(handler);

                    Long ticketNumber = handler.getTicketNumber();
                    ticketNumberList.add(ticketNumber);
                };
            };

　　3，测试结果

当前购票人数：10000 人
票号生成类实例对象数目：1
共出票：10000张
实际出票：10000张
出票用时：1234 毫秒

　　单例模式成功，出票数量正确，运行10次平均执行时间：1237.1毫秒

八，测试第四种单例模式：使用方法同步锁（synchronized）

　　1，单例代码

package com.zcz.singleton;

public class TicketNumberHandler4 extends TicketNumberHandler {
    //保存单例实例对象
    private static TicketNumberHandler4 INSTANCE;
    //私有化构造方法
    private TicketNumberHandler4() {};

        /**
         * 懒汉式，在第一次获取单例对象的时候初始化对象
         * @return
         */
        public synchronized static TicketNumberHandler4 getInsatance() {
            if(INSTANCE == null) {
                try {
                    //这里为什么要让当前线程睡眠1毫秒呢？
                    //因为在正常的业务逻辑中，单利模式的类不可能这么简单，所以实例化时间会多一些
                    //让当前线程睡眠1毫秒
                    Thread.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                INSTANCE = new TicketNumberHandler4();
            }
            return INSTANCE;
        }
}

　　2，修改测试代码

Thread t = new Thread() {
                public void run() {
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler3.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler1.getInstance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler2.getInstance();
                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler4.getInsatance();
                    hanlderList.add(handler);
                    Long ticketNumber = handler.getTicketNumber();
                    ticketNumberList.add(ticketNumber);
                };
            };

　　3，测试结果

当前购票人数：10000 人
票号生成类实例对象数目：1
共出票：10000张
实际出票：10000张
出票用时：1079 毫秒

　　　　单例模式成功，出票数量正确，运行10次平均执行时间：1091.86毫秒

九，测试第五种单例模式:使用同步代码块

　　1，单例代码

package com.zcz.singleton;

public class TicketNumberHandler5 extends TicketNumberHandler {
    //保存单例实例对象
        private static TicketNumberHandler5 INSTANCE;
        //私有化构造方法
        private TicketNumberHandler5() {};

            /**
             * 懒汉式，在第一次获取单例对象的时候初始化对象
             * @return
             */
            public static TicketNumberHandler5 getInsatance() {
                if(INSTANCE == null) {
                    synchronized (TicketNumberHandler5.class) {
                        try {
                            //这里为什么要让当前线程睡眠1毫秒呢？
                            //因为在正常的业务逻辑中，单利模式的类不可能这么简单，所以实例化时间会多一些
                            //让当前线程睡眠1毫秒
                            Thread.sleep(1);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            // TODO Auto-generated catch block
                            e.printStackTrace();
                        }
                        INSTANCE = new TicketNumberHandler5();
                    }
                }
                return INSTANCE;
            }
}

　　2，修改测试代码

Thread t = new Thread() {
                public void run() {
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler3.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler1.getInstance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler2.getInstance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler4.getInsatance();
                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler5.getInsatance();
                    hanlderList.add(handler);
                    Long ticketNumber = handler.getTicketNumber();
                    ticketNumberList.add(ticketNumber);
                };
            };

　　3，测试结果

当前购票人数：10000 人
票号生成类实例对象数目：1
共出票：10000张
实际出票：10000张
出票用时：1117 毫秒

　　　　单例模式成功，出票数量正确，运行10次平均执行时间：1204.1毫秒

十，测试第六种单例模式：双重检查

　　1，单例代码

package com.zcz.singleton;

public class TicketNumberHandler6 extends TicketNumberHandler {
    //保存单例实例对象
    private static TicketNumberHandler6 INSTANCE;
    //私有化构造方法
    private TicketNumberHandler6() {};

        /**
         * 懒汉式，在第一次获取单例对象的时候初始化对象
         * @return
         */
        public static TicketNumberHandler6 getInsatance() {
            //双重检查
            if(INSTANCE == null) {
                synchronized (TicketNumberHandler5.class) {
                    try {
                        //这里为什么要让当前线程睡眠1毫秒呢？
                        //因为在正常的业务逻辑中，单利模式的类不可能这么简单，所以实例化时间会多一些
                        //让当前线程睡眠1毫秒
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // TODO Auto-generated catch block
                        e.printStackTrace();
                    }
                    if(INSTANCE == null) {
                        INSTANCE = new TicketNumberHandler6();
                    }
                }
            }
            return INSTANCE;
        }
}

　　2，修改测试代码

Thread t = new Thread() {
                public void run() {
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler3.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler1.getInstance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler2.getInstance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler4.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler5.getInsatance();
                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler6.getInsatance();
                    hanlderList.add(handler);
                    Long ticketNumber = handler.getTicketNumber();
                    ticketNumberList.add(ticketNumber);
                };
            };

　　3，测试结果

当前购票人数：10000 人
票号生成类实例对象数目：1
共出票：10000张
实际出票：10000张
出票用时：1041 毫秒

　　　　单例模式成功，出票数量正确，运行10次平均执行时间：1117.1毫秒

十一，测试第七种单例模式：使用静态内部类

　　1，单例代码

package com.zcz.singleton;

public class TicketNumberHandler7 extends TicketNumberHandler {
    //私有化构造器
    public TicketNumberHandler7() {};

    //静态内部类
    private static class TicketNumberHandler7Instance{
        private static final TicketNumberHandler7 INSTANCE = new TicketNumberHandler7();
    }

    public static TicketNumberHandler7 getInstance() {
        return TicketNumberHandler7Instance.INSTANCE;
    }
}

　　2，修改测试代码

Thread t = new Thread() {
                public void run() {
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler3.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler1.getInstance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler2.getInstance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler4.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler5.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler6.getInsatance();
                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler7.getInstance();
                    hanlderList.add(handler);
                    Long ticketNumber = handler.getTicketNumber();
                    ticketNumberList.add(ticketNumber);
                };
            };

　　3，测试结果

当前购票人数：10000 人
票号生成类实例对象数目：1
共出票：10000张
实际出票：10000张
出票用时：1250 毫秒

　　　　单例模式成功，出票数量正确，运行10次平均执行时间：1184.4毫秒

十二，测试第八种单例模式：使用枚举

　　1，单例代码

package com.zcz.singleton;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

public enum TicketNumberHandler8 {
    INSTANCE;
    private AtomicLong nextUniqueNumber = new AtomicLong();
    //记录下一个唯一的号码
//    private long nextUniqueNumber = 1;
    /**
     * 返回生成的号码
     * @return
     */
    public synchronized Long getTicketNumber() {
//        return nextUniqueNumber++;
        return nextUniqueNumber.incrementAndGet();
    }
}

　　2，修改测试代码

public static void main(String[] args) {
        // 用户人数
        int userNumber = 10000;
        // 保存用户线程
        Set<Thread> threadSet = new HashSet();

        // 用于存放TicketNumberHandler实例对象
        List<TicketNumberHandler8> hanlderList = new Vector();
        // 保存生成的票号
        List<Long> ticketNumberList = new Vector();

        // 定义购票线程，一个线程模拟一个用户
        for(int i=0;i<userNumber;i++) {
            Thread t = new Thread() {
                public void run() {
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler3.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler1.getInstance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler2.getInstance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler4.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler5.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler6.getInsatance();
//                    TicketNumberHandler handler = TicketNumberHandler7.getInstance();
                    TicketNumberHandler8 handler = TicketNumberHandler8.INSTANCE;
                    hanlderList.add(handler);
                    Long ticketNumber = handler.getTicketNumber();
                    ticketNumberList.add(ticketNumber);
                };
            };
            threadSet.add(t);
        }
        System.out.println("当前购票人数："+threadSet.size()+" 人");

        //记录购票开始时间
        long beginTime = System.currentTimeMillis();
        for(Thread t : threadSet) {
            //开始购票
            t.start();
        }        

        //记录购票结束时间
        long entTime;
        while(true) {
            //除去mian线程之外的所有线程结果后再记录时间
            if(Thread.activeCount() == 1) {
                entTime = System.currentTimeMillis();
                break;
            }
        }
        //开始统计
        System.out.println("票号生成类实例对象数目："+new HashSet(hanlderList).size());
        System.out.println("共出票："+ticketNumberList.size()+"张");
        System.out.println("实际出票："+new HashSet(ticketNumberList).size()+"张");
        System.out.println("出票用时："+(entTime - beginTime)+" 毫秒");
    }

　　3，测试结果

当前购票人数：10000 人
票号生成类实例对象数目：1
共出票：10000张
实际出票：10000张
出票用时：1031 毫秒

　　　　单例模式成功，出票数量正确，运行10次平均执行时间：1108毫秒

十三，总结　　

　　线程安全就不再多说，除去第三种方式。其他的都可以。

　　效率总结表：

单例模式名称	平均十次执行时间（毫秒）
第一种（使用静态属性，并初始化单例）	1154.3
第二种（使用静态代码块）	1237.1
第四种（使用方法同步锁）	1091.86
第五种（使用同步代码块）	1204.1
第六种（双重检查）	1117.1
第七种（使用静态内部类）	1184.4
第八种（使用枚举）	1108

　　跟我预想的不同，没有想到的是，竟然是第四种方法的效率最高，很可能跟我测试数据的数量有关系（10000个用户）。效率的话就不多做评论了，大家有兴趣的话可以自己亲自试一下。别忘记告诉我测试的结果哦。

　　从代码行数来看，使用枚举是最代码最少的方法了。

　　ok，这篇文章到这里就结束了，虽然在效率上没有结论，但是，在线程安全方面是明确了的。

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