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    单例模式的概念

    单例模式,是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中,应用该模式的类一个类只有一个实例。即一个类只有一个对象实例。

    数学与逻辑学中,singleton定义为“有且仅有一个元素的集合”。

    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。”
    Java中单例模式定义:“一个类有且仅有一个实例,并且自行实例化向整个系统提供。”

    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、一个党只能有一个书记。 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。

    注意事项:getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

    从下面两个问题来理解Servlet的单例模式

    1、如果不同的2个用户同时对这个网站的不同业务同时发出请求(如注册和登陆),那容器里有几个servlet呢??

    2、不同的用户同时对同一个业务(如注册)发出请求,那这个时候容器里产生的有是几个servlet实例呢?

    答案:

    引子:一个web容器,可以有多个servlet。 对提交到同一个servlet类的多个业务请求,共享一个servlet对象(即这个servlet类只被实例化一次)

    但别忘了,请求还可以从一个servlet forward到另一个servlet,因此一个请求是可以产生多个servlet的,但是由不同的servlet类实例化的,每个servlet类都只被实例化一次,直到应用程序终止或服务器shutdown

    问题1的答案:容器里有2个servlet(当然,这是在“一个servlet对应一种业务请求”的前提下,如果你要把两个业务逻辑写在同一个servlet内另当别论了)

    问题2的答案:只有一个servlet实例。一个servlet是在第一次被访问时加载到内存并实例化的。同样的业务请求共享一个servlet实例。不同的业务请求一般对应不同的servlet. 想也知道拉,如果一个网站要被几千万人同时登录,如果创建几千万个实例的话服务器还怎么跑得动?

    Servlet的单例多线程模式

    前言:Servlet/JSP技术和ASP、PHP等相比,由于其多线程运行而具有很高的执行效率。由于Servlet/JSP默认是以多线程模式执行的,所以,在编写代码时需要非常细致地考虑多线程的安全性问题。

    JSP的中存在的多线程问题:
    当客户端第一次请求某一个JSP文件时,服务端把该JSP编译成一个CLASS文件,并创建一个该类的实例,然后创建一个线程处理CLIENT端的请求。如果有多个客户端同时请求该JSP文件,则服务端会创建多个线程。每个客户端请求对应一个线程。以多线程方式执行可大大降低对系统的资源需求,提高系统的并发量及响应时间.

    对JSP中可能用的的变量说明如下:
    实例变量: 实例变量是在堆中分配的,并被属于该实例的所有线程共享,所以不是线程安全的.
    JSP系统提供的8个类变量
    JSP中用到的OUT,REQUEST,RESPONSE,SESSION,CONFIG,PAGE,PAGECONXT是线程安全的(因为每个线程对应的request,respone对象都是不一样的,不存在共享问题), APPLICATION在整个系统内被使用,所以不是线程安全的.

    局部变量: 局部变量在堆栈中分配,因为每个线程都有它自己的堆栈空间,所以是线程安全的.
    静态类: 静态类不用被实例化,就可直接使用,也不是线程安全的.

    外部资源: 在程序中可能会有多个线程或进程同时操作同一个资源(如:多个线程或进程同时对一个文件进行写操作).此时也要注意同步问题.

    使它以单线程方式执行,这时,仍然只有一个实例,所有客户端的请求以串行方式执行。这样会降低系统的性能

    问题
    问题一.
     说明其Servlet容器如何采用单实例多线程的方式来处理请求
    问题二. 如何在开发中保证servlet是单实例多线程的方式来工作(也就是说如何开发线程安全的servelt)。

    一. Servlet容器如何同时来处理多个请求 

    Java的内存模型JMM(Java Memory Model)
    JMM主要是为了规定了线程和内存之间的一些关系。根据JMM的设计,系统存在一个主内存(Main Memory),Java中所有实例变量都储存在主存中,对于所有线程都是共享的。每条线程都有自己的工作内存(Working Memory),工作内存由缓存和堆栈两部分组成,缓存中保存的是主存中变量的拷贝,缓存可能并不总和主存同步,也就是缓存中变量的修改可能没有立刻写到主存中;堆栈中保存的是线程的局部变量,线程之间无法相互直接访问堆栈中的变量。根据JMM,我们可以将论文中所讨论的Servlet实例的内存模型抽象为图所示的模型。

    Servlet的单例模式的理解

    工作者线程Work Thread:执行代码的一组线程。
    调度线程Dispatcher Thread:每个线程都具有分配给它的线程优先级,线程是根据优先级调度执行的。

    Servlet采用多线程来处理多个请求同时访问。servlet依赖于一个线程池来服务请求。线程池实际上是一系列的工作者线程集合。Servlet使用一个调度线程来管理工作者线程。

    当容器收到一个Servlet请求,调度线程从线程池中选出一个工作者线程,将请求传递给该工作者线程,然后由该线程来执行Servlet的service方法。当这个线程正在执行的时候,容器收到另外一个请求,调度线程同样从线程池中选出另一个工作者线程来服务新的请求,容器并不关心这个请求是否访问的是同一个Servlet.当容器同时收到对同一个Servlet的多个请求的时候,那么这个Servlet的service()方法将在多线程中并发执行。
    Servlet容器默认采用单实例多线程的方式来处理请求,这样减少产生Servlet实例的开销,提升了对请求的响应时间,对于Tomcat可以在server.xml中通过<Connector>元素设置线程池中线程的数目。

    就实现来说:
    调度者线程类所担负的责任如其名字,该类的责任是调度线程,只需要利用自己的属性完成自己的责任。所以该类是承担了责任的,并且该类的责任又集中到唯一的单体对象中。而其他对象又依赖于该特定对象所承担的责任,我们就需要得到该特定对象。那该类就是一个单例模式的实现了。

    注意:服务器可以使用多个实例来处理请求,代替单个实例的请求排队带来的效益问题。服务器创建一个Servlet类的多个Servlet实例组成的实例池,对于每个请求分配Servlet实例进行响应处理,之后放回到实例池中等待下此请求。这样就造成并发访问的问题。
    此时,局部变量(字段)也是安全的,但对于全局变量和共享数据是不安全的,需要进行同步处理。而对于这样多实例的情况SingleThreadModel接口并不能解决并发访问问题。 SingleThreadModel接口在servlet规范中已经被废弃了。

    二 如何开发线程安全的Servlet

     

    1、实现 SingleThreadModel 接口

    该接口指定了系统如何处理对同一个Servlet的调用。如果一个Servlet被这个接口指定,那么在这个Servlet中的service方法将不会有两个线程被同时执行,当然也就不存在线程安全的问题。这种方法只要将前面的Concurrent Test类的类头定义更改为:

    Public class Concurrent Test extends HttpServlet implements SingleThreadModel {
    …………
    }

    2、同步对共享数据的操作

    使用synchronized 关键字能保证一次只有一个线程可以访问被保护的区段,在本论文中的Servlet可以通过同步块操作来保证线程的安全。同步后的代码如下:

    
    Public class Concurrent Test extends HttpServlet { …………
    Username = request.getParameter ("username");
    Synchronized (this){
    Output = response.getWriter ();
    Try {
    Thread. Sleep (5000);
    } Catch (Interrupted Exception e){}
    output.println("用户名:"+Username+"<BR>");
    }
    }
    }
    
    

    3、避免使用实例变量

    本实例中的线程安全问题是由实例变量造成的,只要在Servlet里面的任何方法里面都不使用实例变量,那么该Servlet就是线程安全的。

    修正上面的Servlet代码,将实例变量改为局部变量实现同样的功能,代码如下:

    ……
    Public class Concurrent Test extends HttpServlet {public void service (HttpServletRequest request, HttpServletResponse
    Response) throws ServletException, IOException {
    Print Writer output;
    String username;
    Response.setContentType ("text/html; charset=gb2312");
    ……
    }
    }
    

    ** 对上面的三种方法进行测试,可以表明用它们都能设计出线程安全的Servlet程序。但是,如果一个Servlet实现了SingleThreadModel接口,Servlet引擎将为每个新的请求创建一个单独的Servlet实例,这将引起大量的系统开销。SingleThreadModel在Servlet2.4中已不再提倡使用;同样如果在程序中使用同步来保护要使用的共享的数据,也会使系统的性能大大下降。这是因为被同步的代码块在同一时刻只能有一个线程执行它,使得其同时处理客户请求的吞吐量降低,而且很多客户处于阻塞状态。另外为保证主存内容和线程的工作内存中的数据的一致性,要频繁地刷新缓存,这也会大大地影响系统的性能。所以在实际的开发中也应避免或最小化 Servlet 中的同步代码;在Serlet中避免使用实例变量是保证Servlet线程安全的最佳选择。从Java 内存模型也可以知道,方法中的临时变量是在栈上分配空间,而且每个线程都有自己私有的栈空间,所以它们不会影响线程的安全。

     

    更加详细的说明:

    1,变量的线程安全:这里的变量指字段和共享数据(如表单参数值)。
    a,将 参数变量 本地化。多线程并不共享局部变量.所以我们要尽可能的在servlet中使用局部变量。
    例如:String user = "";
    user = request.getParameter("user");

    b,使用同步块Synchronized,防止可能异步调用的代码块。这意味着线程需要排队处理。在使用同板块的时候要尽可能的缩小同步代码的范围,不要直接在sevice方法和响应方法上使用同步,这样会严重影响性能。

    2,属性的线程安全:ServletContext,HttpSession,ServletRequest对象中属性。
    ServletContext:(线程是不安全的)
    ServletContext是可以多线程同时读/写属性的,线程是不安全的。要对属性的读写进行同步处理或者进行深度Clone()。所以在Servlet上下文中尽可能少量保存会被修改(写)的数据,可以采取其他方式在多个Servlet中共享,比方我们可以使用单例模式来处理共享数据。
    HttpSession:(线程是不安全的)
    HttpSession对象在用户会话期间存在,只能在处理属于同一个Session的请求的线程中被访问,因此Session对象的属性访问理论上是线程安全的。
    当用户打开多个同属于一个进程的浏览器窗口,在这些窗口的访问属于同一个Session,会出现多次请求,需要多个工作线程来处理请求,可能造成同时多线程读写属性。这时我们需要对属性的读写进行同步处理:使用同步块Synchronized和使用读/写器来解决。
    ServletRequest:(线程是安全的)
    对于每一个请求,由一个工作线程来执行,都会创建有一个新的ServletRequest对象,所以ServletRequest对象只能在一个线程中被访问。ServletRequest是线程安全的。注意:ServletRequest对象在service方法的范围内是有效的,不要试图在service方法结束后仍然保存请求对象的引用。

    3,使用同步的集合类:
    使用Vector代替ArrayList,使用Hashtable代替HashMap。

    4,不要在Servlet中创建自己的线程来完成某个功能。
    Servlet本身就是多线程的,在Servlet中再创建线程,将导致执行情况复杂化,出现多线程安全问题。

    5,在多个servlet中对外部对象(比方文件)进行修改操作一定要加锁,做到互斥的访问。

    6,javax.servlet.SingleThreadModel接口是一个标识接口,如果一个Servlet实现了这个接口,那Servlet容器将保证在一个时刻仅有一个线程可以在给定的servlet实例的service方法中执行。将其他所有请求进行排队。

    PS:

    Servlet并非只是单例的. 当container开始启动,或是客户端发出请求服务时,Container会按照容器的配置负责加载和实例化一个Servlet(也可以配置为多个,不过一般不这么干).不过一般来说一个servlet只会有一个实例。

    1) Struts2的Action是原型,非单实例的;会对每一个请求,产生一个Action的实例来处理。
    2) Struts1的Action,Spring的Ioc容器管理的bean 默认是单实例的.

    Struts1 Action是单实例的,spring mvc的controller也是如此。因此开发时要求必须是线程安全的,因为仅有Action的一个实例来处理所有的请求。单例策略限制了Struts1 Action能作的事,并且要在开发时特别小心。Action资源必须是线程安全的或同步的。

     

    Spring的Ioc容器管理的bean 默认是单实例的。

    Struts2 Action对象为每一个请求产生一个实例,因此没有线程安全问题。(实际上,servlet容器给每个请求产生许多可丢弃的对象,并且不会导致性能和垃圾回收问题)。

    当Spring管理Struts2的Action时,bean默认是单实例的,可以通过配置参数将其设置为原型。(scope="prototype )

     

    题外:Java中,单例模式的七种写法

    单例模式:是一种常用的软件设计模式,在它的核心结构中值包含一个被称为单例的特殊类。一个类只有一个实例,即一个类只有一个对象实例。

    对于系统中的某些类来说,只有一个实例很重要,例如,一个系统中可以存在多个打印任务,但是只能有一个正在工作的任务;售票时,一共有100张票,可有有多个窗口同时售票,但需要保证不要超售(这里的票数余量就是单例,售票涉及到多线程)。如果不是用机制对窗口对象进行唯一化将弹出多个窗口,如果这些窗口显示的都是相同的内容,重复创建就会浪费资源。

    应用场景(来源:《大话设计模式》):

    需求:在前端创建工具箱窗口,工具箱要么不出现,出现也只出现一个

    遇到问题:每次点击菜单都会重复创建“工具箱”窗口。

    解决方案一:使用if语句,在每次创建对象的时候首先进行判断是否为null,如果为null再创建对象。

    需求:如果在5个地方需要实例出工具箱窗体

    遇到问题:这个小bug需要改动5个地方,并且代码重复,代码利用率低

    解决方案二:利用单例模式,保证一个类只有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。

    通过以下几种方式,我们会发现,所有的单例模式都是使用静态方法进行创建的,所以单例对象在内存中静态共享区中存储。(可参考:https://zhidao.baidu.com/question/2206072272164938188.html)

     

    单例模式可以分为懒汉式和饿汉式

    懒汉式单例模式:在类加载时不初始化。

    饿汉式单例模式:在类加载时就完成了初始化,所以类加载比较慢,但获取对象的速度快。

    第一种(懒汉,线程不安全):

    public class SingletonDemo1 {
        private static SingletonDemo1 instance;
        private SingletonDemo1(){}
        public static SingletonDemo1 getInstance(){
            if (instance == null) {
                instance = new SingletonDemo1();
            }
            return instance;
        }
    }
    

    这种写法lazy loading很明显,但是致命的是在多线程不能正常工作。

    第二种(懒汉,线程安全):

    public class SingletonDemo2 {
        private static SingletonDemo2 instance;
        private SingletonDemo2(){}
        public static synchronized SingletonDemo2 getInstance(){
            if (instance == null) {
                instance = new SingletonDemo2();
            }
            return instance;
        }
    }
    

    这种写法在getInstance()方法中加入了synchronized锁。能够在多线程中很好的工作,而且看起来它也具备很好的lazy loading,但是效率很低(因为锁),并且大多数情况下不需要同步。

    第三种(饿汉):

    public class SingletonDemo3 {
        private static SingletonDemo3 instance = new SingletonDemo3();
        private SingletonDemo3(){}
        public static SingletonDemo3 getInstance(){
            return instance;
        }
    }

    这种方式基于classloder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,这时候初始化instance显然没有达到lazy loading的效果。

    第四种(饿汉,变种):

    public class SingletonDemo4 {
        private static SingletonDemo4 instance = null;
        static{
            instance = new SingletonDemo4();
        }
        private SingletonDemo4(){}
        public static SingletonDemo4 getInstance(){
            return instance;
        }
    }

    表面上看起来差别挺大,其实更第三种方式差不多,都是在类初始化即实例化instance

        第五种(静态内部类):

    public class SingletonDemo5 {
        private static class SingletonHolder{
            private static final SingletonDemo5 instance = new SingletonDemo5();
        }
        private SingletonDemo5(){}
        public static final SingletonDemo5 getInsatance(){
            return SingletonHolder.instance;
        }
    }
    

    这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程,它跟第三种和第四种方式不同的是(很细微的差别):第三种和第四种方式是只要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,只有显示通过调用getInstance方法时,才会显示装载SingletonHolder类,从而实例化instance。想象一下,如果实例化instance很消耗资源,我想让他延迟加载,另外一方面,我不希望在Singleton类加载时就实例化,因为我不能确保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,这种方式相比第三和第四种方法就显得更合理。

    第六种(枚举):

    public enum SingletonDemo6 {
        instance;
        public void whateverMethod(){
        }
    }
    

    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,而且还能防止反序列化重新创建新的对象,可谓是很坚强的壁垒啊,不过,个人认为由于1.5中才加入enum特性,用这种方式写不免让人感觉生疏,在实际工作中,我也很少看见有人这么写过。

    第七种(双重校验锁):

    public class SingletonDemo7 {
        private volatile static SingletonDemo7 singletonDemo7;
        private SingletonDemo7(){}
        public static SingletonDemo7 getSingletonDemo7(){
            if (singletonDemo7 == null) {
                synchronized (SingletonDemo7.class) {
                    if (singletonDemo7 == null) {
                        singletonDemo7 = new SingletonDemo7();
                    }
                }
            }
            return singletonDemo7;
        }
    }
    

    这个是第二种方式的升级版,俗称双重检查锁定,详细介绍请查看:http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-dcl.html

    在JDK1.5之后,双重检查锁定才能够正常达到单例效果。

     

    多线程时的单例,多线程的程序中,多个线程同时访问该单例,会有可能创建多个实例。这个时候就需要用“锁”将它锁起来。包括锁、死锁、锁之间的通信,关于多线程这部分待后续详解!

     
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