浅谈Java编程中的单例设计模式

前端技术 2023/09/02 Java

写软件的时候经常需要用到打印日志功能，可以帮助你调试和定位问题，项目上线后还可以帮助你分析数据。但是Java原生带有的System.out.println()方法却很少在真正的项目开发中使用，甚至像findbugs等代码检查工具还会认为使用System.out.println()是一个bug。

为什么作为Java新手神器的System.out.println()，到了真正项目开发当中会被唾弃呢？其实只要细细分析，你就会发现它的很多弊端。比如不可控制，所有的日志都会在项目上线后照常打印，从而降低运行效率；又或者不能将日志记录到本地文件，一旦打印被清除，日志将再也找不回来；再或者打印的内容没有Tag区分，你将很难辨别这一行日志是在哪个类里打印的。

你的leader也不是傻瓜，用System.out.println()的各项弊端他也清清楚楚，因此他今天给你的任务就是制作一个日志工具类，来提供更好的日志功能。不过你的leader人还不错，并没让你一开始就实现一个具备各项功能的牛逼日志工具类，只需要一个能够控制打印级别的日志工具就好。

这个需求对你来说并不难，你立刻就开始动手编写了，并很快完成了第一个版本：

  public class LogUtil { 
    public final int DEBUG = 0; 
   
    public final int INFO = 1; 
   
    public final int ERROR = 2; 
   
    public final int NOTHING = 3; 
   
    public int level = DEBUG; 
   
    public void debug(String msg) { 
      if (DEBUG >= level) { 
        System.out.println(msg); 
      } 
    } 
   
    public void info(String msg) { 
      if (INFO >= level) { 
        System.out.println(msg); 
      } 
    } 
   
    public void error(String msg) { 
      if (ERROR >= level) { 
        System.out.println(msg); 
      } 
    } 
  }



通过这个类来打印日志，只需要控制level的级别，就可以自由地控制打印的内容。比如现在项目处于开发阶段，就将level设置为DEBUG，这样所有的日志信息都会被打印。而项目如果上线了，可以把level设置为INFO，这样就只能看到INFO及以上级别的日志打印。如果你只想看到错误日志，就可以把level设置为ERROR。而如果你开发的项目是客户端版本，不想让任何日志打印出来，可以将level设置为NOTHING。打印的时候只需要调用：

  new LogUtil().debug(\"Hello World!\");



你迫不及待地将这个工具介绍给你的leader，你的leader听完你的介绍后说：“好样的，今后大伙都用你写的这个工具来打印日志了！”

可是没过多久，你的leader找到你来反馈问题了。他说虽然这个工具好用，可是打印这种事情是不区分对象的，这里每次需要打印日志的时候都需要new出一个新的LogUtil，太占用内存了，希望你可以将这个工具改成用单例模式实现。

你认为你的leader说的很有道理，而且你也正想趁这个机会练习使用一下设计模式，于是你写出了如下的代码（ps：这里代码是我自己实现的，而且我开始确实没注意线程同步问题）：

  public class LogUtil { 
    private static LogUtil logUtilInstance; 
   
    public final int DEBUG = 0; 
   
    public final int INFO = 1; 
   
    public final int ERROR = 2; 
   
    public final int NOTHING = 3; 
   
    public int level = DEBUG; 
   
    private LogUtil() { 
   
    } 
   
    public static LogUtil getInstance() { 
      if (logUtilInstance == null) { 
        logUtilInstance = new LogUtil(); 
      } 
   
      return logUtilInstance; 
    } 
   
    public void debug(String msg) { 
      if (DEBUG >= level) { 
        System.out.println(msg); 
      } 
    } 
   
    public void info(String msg) { 
      if (INFO >= level) { 
        System.out.println(msg); 
      } 
    } 
   
    public void error(String msg) { 
      if (ERROR >= level) { 
        System.out.println(msg); 
      } 
    } 
   
    public static void main(String[] args) { 
      LogUtil.getInstance().debug(\"Hello World!\"); 
    } 
  }


首先将LogUtil的构造函数私有化，这样就无法使用new关键字来创建LogUtil的实例了。然后使用一个sLogUtil私有静态变量来保存实例，并提供一个公有的getInstance方法用于获取LogUtil的实例，在这个方法里面判断如果sLogUtil为空，就new出一个新的LogUtil实例，否则就直接返回sLogUtil。这样就可以保证内存当中只会存在一个LogUtil的实例了。单例模式完工！这时打印日志的代码需要改成如下方式：

  LogUtil.getInstance().debug(\"Hello World\");


你将这个版本展示给你的leader瞧，他看后笑了笑，说：“虽然这看似是实现了单例模式，可是还存在着bug的哦。
你满腹狐疑，单例模式不都是这样实现的吗？还会有什么bug呢？

你的leader提示你，使用单例模式就是为了让这个类在内存中只能有一个实例的，可是你有考虑到在多线程中打印日志的情况吗？如下面代码所示：

  public static LogUtil getInstance() { 
    if (logUtilInstance == null) { 
      logUtilInstance = new LogUtil(); 
    } 
   
    return logUtilInstance; 
  }


如果现在有两个线程同时在执行getInstance方法，第一个线程刚执行完第2行，还没执行第3行，这个时候第二个线程执行到了第2行，它会发现sLogUtil还是null，于是进入到了if判断里面。这样你的单例模式就失败了，因为创建了两个不同的实例。
你恍然大悟，不过你的思维非常快，立刻就想到了解决办法，只需要给方法加上同步锁就可以了，代码如下：

  public synchronized static LogUtil getInstance() { 
    if (logUtilInstance == null) { 
      logUtilInstance = new LogUtil(); 
    } 
   
    return logUtilInstance; 
  }


这样，同一时刻只允许有一个线程在执行getInstance里面的代码，这样就有效地解决了上面会创建两个实例的情况。
你的leader看了你的新代码后说：“恩，不错。这确实解决了有可能创建两个实例的情况，但是这段代码还是有问题的。”

你紧张了起来，怎么还会有问题啊？

你的leader笑笑：“不用紧张，这次不是bug，只是性能上可以优化一些。你看一下，如果是在getInstance方法上加了一个synchronized，那么我每次去执行getInstace方法的时候都会受到同步锁的影响，这样运行的效率会降低，其实只需要在第一次创建LogUtil实例的时候加上同步锁就好了。我来教你一下怎么把它优化的更好。”

首先将synchronized关键字从方法声明中去除，把它加入到方法体当中：

  public static LogUtil getInstance() { 
    if (logUtilInstance == null) { 
      synchronized (LogUtil.class) { 
        if (logUtilInstance == null) { 
          // 这里是必须的，因为有可能两个进程同时执行到synchronized之前 
          logUtilInstance = new LogUtil(); 
        } 
      } 
    } 
   
    return logUtilInstance; 
  }


代码改成这样之后，只有在sLogUtil还没被初始化的时候才会进入到第3行，然后加上同步锁。等sLogUtil一但初始化完成了，就再也走不到第3行了，这样执行getInstance方法也不会再受到同步锁的影响，效率上会有一定的提升。
你情不自禁赞叹到，这方法真巧妙啊，能想得出来实在是太聪明了。

你的leader马上谦虚起来：“这种方法叫做双重锁定(Double-Check Locking)，可不是我想出来的，更多的资料你可以在网上查一查。”

其实在java里实现单例我更习惯用饿汉模式

懒汉式的特点是延迟加载，实例直到用到的时候才会加载

饿汉式的特点是一开始就加载了，所以每次用到的时候直接返回即可（我更推荐这一种，因为不需要考虑太多线程安全的问题，当然懒汉式是可以通过上文所说的双重锁定解决同步问题的）

用饿汉式实现日志记录的代码如下：

  public class LogUtil { 
    private static final LogUtil logUtilInstance = new LogUtil(); 
   
    public final int DEBUG = 0; 
   
    public final int INFO = 1; 
   
    public final int ERROR = 2; 
   
    public final int NOTHING = 3; 
   
    public int level = DEBUG; 
   
    private LogUtil() { 
   
    } 
   
    public static LogUtil getInstance() { 
      return logUtilInstance; 
    } 
   
    public void debug(String msg) { 
      if (DEBUG >= level) { 
        System.out.println(msg); 
      } 
    } 
   
    public void info(String msg) { 
      if (INFO >= level) { 
        System.out.println(msg); 
      } 
    } 
   
    public void error(String msg) { 
      if (ERROR >= level) { 
        System.out.println(msg); 
      } 
    } 
   
    public static void main(String[] args) { 
      logUtil.getInstance().debug(\"Hello World!\"); 
    } 
  }


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