单例模式 rust和java的实现

过去日记2023-11-12 10:21

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单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。

注意：

  1. 单例类只能有一个实例。
  2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

介绍

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：
  1. 一个班级只有一个班主任。
  2. Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
  3. 一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
优点
  1. 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
  2. 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
    缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。
使用场景
  1. 要求生产唯一序列号。
  2. WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
  3. 创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

架构图

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

单例模式的 UML 图

步骤 1

JAVA 实现

创建一个 Singleton 类。

SingleObject.java

java 复制代码 
public class SingleObject {
 
   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
 
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
 
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
 
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

步骤 2

从 singleton 类获取唯一的对象。

SingletonPatternDemo.java

java 复制代码 
public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //不合法的构造函数
      //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();
 
      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

步骤 3

执行程序，输出结果：

Hello World!

单例模式的几种实现方式

单例模式的实现有多种方式，如下所示：

1、懒汉式，线程不安全

  • 是否 Lazy 初始化：是
  • 是否多线程安全：否
  • 实现难度：易
  • 描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
    这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

实例

java 复制代码 
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

接下来介绍的几种实现方式都支持多线程，但是在性能上有所差异。

2、懒汉式，线程安全

  • 是否 Lazy 初始化：是
  • 是否多线程安全：是
  • 实现难度：易
  • 描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
  • 优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
  • 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。

实例

java 复制代码 
public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

3、饿汉式

  • 是否 Lazy 初始化：否
  • 是否多线程安全：是
  • 实现难度：易
  • 描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
  • 优点：没有加锁，执行效率会提高。
  • 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。

它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

实例

java 复制代码 
public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
    }  
}

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

  • 是否 Lazy 初始化：是
  • 是否多线程安全：是
  • 实现难度：较复杂
  • 描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。

实例

java 复制代码 
public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
            if (singleton == null) {  
                singleton = new Singleton();  
            }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

5、登记式/静态内部类

  • 是否 Lazy 初始化：是
  • 是否多线程安全：是
  • 实现难度：一般
  • 描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

实例

java 复制代码 
public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

6、枚举

  • 是否 Lazy 初始化：否
  • 是否多线程安全：是
  • 实现难度：易
  • 描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
    这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
    实例
java 复制代码 
public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

rust实现

在用rust进行懒加载时，最方便的还是用第三方库，本人运用的是lazy_static库，在用这社区库时，需要引入在Cargo.toml文件下的[dependencies]项目下引lazy_static = "1.4.0"。如图

rust 复制代码 
use std::sync::{Arc, Mutex};
use lazy_static::lazy_static;
 struct Singleton;
 impl Singleton {
    //关联方法， 获取单例实例的方法
    fn get_instance() -> Arc<Mutex<Singleton>> {
        // 使用懒加载创建单例实例
        // 这里使用了 Arc 和 Mutex 来实现线程安全的单例
        // 只有第一次调用 get_instance 时会创建实例，之后都会返回已创建的实例
        static mut INSTANCE: Option<Arc<Mutex<Singleton>>> = None;//静态初始化，只运行一次
         unsafe {
            // get_or_insert_with ,如果是 None ，则将从data计算的值插入选项中，然后返回对包含值的可变引用。
            INSTANCE.get_or_insert_with(|| {
                Arc::new(Mutex::new(Singleton {}))}).clone()
        }
    }
    fn show_message(&self){
        println!("Hello World!");
     }
}

// 使用lazy_static的懒加载
struct SingletonL;
impl SingletonL {
    fn show_message(&self){
        println!("Hello World!");
     }
}
lazy_static! {
    static ref INSTANCE: Mutex<SingletonL> = Mutex::new(SingletonL {   });
}

fn main() {
  // 获取单例实例,自定义
  let instance1 = Singleton::get_instance();
  
   // 修改单例数据
  {
      let instance = instance1.lock().unwrap();
      instance.show_message();
  }
  // 获取单例实例,社区lazy_static
  let instance = INSTANCE.lock().unwrap();
  instance.show_message();
}

rust代码仓库

https://github.com/onenewcode/design.git

本教程项目在bin文件夹下的singleobject.rs文件中

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