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Das Singleton-Pattern / Nur-ein-Objekt-zur-Laufzeit-Muster
2. Dezember 2014
Idee des Patterns
Häufig ist es so, dass man innerhalb eines Programmes sicherstellen will, dass eine Klasse nur genau einmal instantiiert wird. Alle Komponenten der Software greifen auf diese eine Instanz der Klasse gleichzeitig zu und teilen sich das Objekt. Dabei muss eine einfache Zugriffsmethode vorhanden sein.
Use-Cases eines solchen Patterns sind beispielsweise, wenn innerhalb einer Applikation genau eine Datenbankverbindung hergestellt werden soll, die von unterschiedlichen Teilen des Programmes zusammen genutzt wird. Logging wird häufig auch über ein Singletonpattern realisiert, welches den Zugriff auf die Logging-Datei hält und dafür sorgt, dass Logmeldungen serialisiert in diese offene Datei laufen. Andere Verwendungsmöglichkeiten sind zum Beispiel eine Instanz eines Hauptfensters einer Applikation oder eine Instanz einer Liste von Datenobjekten, die die Applikation verwaltet.
Grundlegende Implementierung des Patterns
Als UML2-Klassendiagramm lässt sich das Singleton-Pattern wie folgt darstellen:
Wird nun eine Instanz dieser Klasse benötigt, so ist das Vorgehen wie folgt:
- Der aufrufende Code ruft die statische Methode getInstance() auf. Für den Aufruf einer statischen Methode muss von der Klasse kein Objekt existieren.
- In der Methode getInstance() befindet sich eine Prüfung, ob das Objekt schon existiert. Wenn nicht, so wird der private Konstruktor aufgerufen und in der lokalen privaten Variable instance hinterlegt.
- Dann wird die lokale private Variable instance zurückgegeben.
Der Code der Methode getInstance() könnte dabei wie folgt aussehen:
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if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; |
Dabei ist die Variable instance privat. Dies sichert diese Variable, so dass nicht zu irgendeinem Zeitpunkt innerhalb des Programmes wegen eines Programmierfehlers diese Variable direkt ausgelesen werden kann. Auch der Konstruktor ist privat. Dies bedeutet, dass er nur aus der Klasse selbst aufgerufen werden kann, wie es nämlich hier in der getInstance()-Methode geschieht.
Hier der Code des gesamten Singleton-Patterns:
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public class Singleton { // Variable, die die einzige Instanz der Klasse hält. // Sie ist zugriffsgeschützt von außen und statisch. private static Singleton instance; // Privater Konstruktor. Ebeneso zugriffsgeschützt // von außen. private Singleton() {} // Einzige öffentliche Methode, die vom Rest des // Codes aufgerufen wird public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } return instance; } } |
Betrachten wir nun den Code der getInstance()-Methode nochmals. Da immer geprüft wird, ob die instance-Variable belegt ist und nur, wenn sie nicht belegt ist, ein neues Singleton-Objekt angelegt wird und sie mit diesem belegt wird, kann kein zweites Singleton-Objekt angelegt werden. Die if-Bedingung kann auf der anderen Seite nur genau einmal wahr sein und in den if-Block springen, nämlich genau beim ersten Mal des Aufrufes der getInstance()-Methode. Wir haben also eine Möglichkeit erzeugt, nur ein Objekt dieser Klasse innerhalb des gesamten Programmes zuzulassen und damit die Singleton-Idee implementiert.
Multi-Threading
Wir haben gerade gesagt, dass unsere Implementierung des Singleton-Patterns unser System dazu zwingt, dass genau nur ein Objekt zur Laufzeit vorhanden ist. Dies ist auch bei einer Single-Thread-Umgebung, wo es nur einen Programmfaden gibt, der Fall. Arbeiten jedoch mehrere Threads im Programm, so kann es sein, dass der Thread in der getInstance()-Methode an Position (*) gestoppt wird:
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if (instance == null) { // (*) instance = new Singleton(); } return instance; |
Ruft nun ein zweiter Thread die getInstance()-Methode auf, so ist die Variable instance weiterhin nicht belegt. Eine neue Instanz kann angelegt werden und diese der Variable zugewiesen werden. Die Instanz wird von der Methode in das Programm übergeben. Wenn nun jedoch wieder der erste Thread wieder Rechenzeit erhält, d.h. weiterläuft, so prüft dieser nicht mehr ob die Variable noch nicht belegt ist und der Konstruktor wird ein zweites Mal aufgerufen und die Variable instance überschrieben und diese zweite Instanz zurückgegeben. Innerhalb unseres Systems existieren nun genau zwei Instanzen des Singletons, was vermieden werden muss.
In dem folgenden Video ist das Problem an einem Live-Beispiel demonstriert:
Dieses Problem kann gelöst werden, indem man die Java Virtual Machine anweist, dass nur ein Thread diese Methode gleichzeitig betreten darf. Dies geschieht mit dem Keyword synchronized:
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public static synchronized Singleton getInstance() { ... } |
Ein Problem bei dieser Lösung ist es nun jedoch, dass eine synchronized-Methode für jede Anfrage des Singleton-Objektes aufgerufen werden muss. Auch bei schon bestehendem Singleton-Objekt müssen Threads hintereinander gereiht werden. Zusätzlich hat die Java Virtual Machine Verwaltungsaufwand für diese synchronized-Methode. Aufgrund von beiden Tatsachen wird die Applikation langsam. Dabei ist dies gar nicht notwendig. Die Methode sollte nur dann synchronized sein, wenn die Instanz noch nicht erzeugt worden ist, d.h. der erste Aufruf der Methode noch nicht abgeschlossen ist.
Einen Ausweg aus diesem Performance-Problem bietet die statische Instantiierung des Singleton-Objektes. Dies tut der folgende Programmcode:
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public class Singleton { private static Singleton instance = new Singleton(); private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { return instance; } } |
Hier wird der Konstruktor der Singletonklasse schon zur Ladezeit durch den ClassLoader aufgerufen, der eine threadsichere Umgebung schafft. Erhält dann schließlich das Programm diese Klasse, so ist die instance-Variable schon vorbelegt. Wir müssen keine weitere Instantiierung durchführen.
Dieser Ansatz wird als der zu verfolgende Ansatz von der Oracle-Java-Entwicklungsgruppe bezeichnet. Mit Hilfe dieser einfachen Implementierung des Singleton-Patterns ist der Entwickler auf der sicheren ,,thread-safe“ Seite. Hingehen könnte es sein, dass das Programm zwar die Singleton-Klasse nutzt, jedoch die getInstance()-Methode niemals aufruft. Da das Singleton-Objekt in der Regel ein schwergewichtiges Objekt ist, gehen wertvolle Ressourcen dadurch verloren. Man nennt das Vorgehen dieser Implementierung mit der statischen Initialisierung ein Eager-Verhalten. Wir hätten jedoch gerne wieder ein Lazy-Verhalten, wie die Lösung mit der synchronized-Methode.
An dieser Stelle muss darauf aufmerksam gemacht werden, dass eine Singleton-Klasse, die noch andere Funktionalitäten hat, einen Bad Smell im Code darstellt, also ein Klassendesignproblem aufzeigt. Die Funktionalitäten sollten in zwei unterschiedliche Klassen ausgelagert werden, so dass das Singleton nicht sinnlos instantiiert werden muss.
Ist man aus irgendwelchen Gründen doch gezwungen, die Klasse so zu belassen, wie sie ist, so kann man trotzdem das Lazy-Verhalten implementieren, indem man Double-Checked-Locking (Doppelt-überprüfte Sperrung) verwendet. Der Code sieht dabei wie folgt aus:
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public class Singleton { private volatile static Singleton instance; private Singleton() {} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) instance = new Singleton(); } } return instance; } } |
Der Unterschied zu der einfachen synchronized-Methode ist, dass hier die Methode nicht mehr synchronized ist, d.h. schnell aufgerufen werden kann. Ist dann die Instanz gesetzt, so wird nie wieder in den Ausführungsblock der äußeren If-Abfrage gesprungen, weshalb der dort beinhaltete synchronized-Block keine Rolle mehr spielt. Das Problem, dass ein Thread schon geprüft hat, ob die Variable noch unbesetzt ist und dann abgebrochen wird und durch einen anderen Thread in dem Moment die Variable belegt wird, wird umgangen, indem innerhalb des dargestellten synchronized-Blocks, die Variable instance nochmals geprüft wird. Zusätzlich muss für dieses Vorgehen die instance-Variable als volatile gekennzeichnet sein. Der CPU-Kern hat die Möglichkeit häufig benutzte Variablen nicht sofort wieder in den Hauptspeicher zu schreiben, sondern in sich zu halten, was einen Geschwindigkeitsvorteil bietet. Mit volatile wird sie jedoch angewiesen, die Variable immer sofort zurück zu schreiben, so dass ein anderer CPU-Kern, der einen anderen Thread bedient nicht eine nicht-aktuelle Speicherkopie der Variable im ungesetzten Zustand sieht.
Diese Double-Checked-Locking-Implementierung wird von vielen als ein Anti-Pattern gesehen. Dies ist zum einen deswegen der Fall, dass wie oben schon gesagt die Verwendung ein Zeichen ist, dass die Klasse zwei unterschiedlichen Zwecken dient. Zum anderen schleichen sich in die komplizierte Implementierung des Double-Checked-Lockings schnell Fehler ein, die mühsam zu finden sind.
Grenzen des Patterns
Dem Pattern sind Grenzen gesetzt, dass die Start-Up-Zeit eines Programmes eventuell sehr lang ist, da viele Singletons instantiiert werden müssen. Weiterhin wird das Singleton-Pattern häufig auch dort benutzt, wo eigentlich eine statische vorinitialisierte ausgereicht hätte. Hier wird der Code durch das Singleton-Pattern unnötig kompliziert.
Das Observer-Pattern / Beobachter-Muster
20. Februar 2014
Idee des Patterns
Das Observer-Pattern oder zu Deutsch Beobachter-Muster ist eines der am meisten genutzten und bekanntesten Patterns. In diesem Muster gibt es zwei Akteure: Ein Subjekt, welches beobachtet wird und ein oder mehrere Beobachter, die über Änderungen des Subjektes informiert werden wollen.
Würde man ohne das Pattern eine solche Beobachtung implementieren, so müssten die beobachtenden Objekte in regelmäßigen Abständen das beobachtete Subjekt anfragen, ob sich sein Zustand geändert hat. Durch dieses Vorgehen wird unnötig Rechenzeit verschwendet.
Das Objektdiagramm sähe wie folgt aus, wenn das Observer-Pattern noch nicht angewendet worden ist:
Die Idee des Observer-Patterns ist es nun, dem zu beobachtenden Subjekt die Aufgabe aufzutragen, die Beobachter bei einer Änderung über die Änderung zu informieren. Die Beobachter müssen nicht mehr in regelmäßigen Abständen beim Subjekt anfragen, sondern können sich darauf verlassen, dass sie eine Nachricht über eine Änderung erhalten.
Nun sieht das Objekt-Diagramm nach der Anwendung des Observer-Patterns wie folgt aus:
Registrierung, Benachrichtigung
Beobachter müssen sich, bevor Sie von einem Subjekt benachrichtigt werden, bei diesem Subjekt registrieren. Jedes Subjekt verwaltet intern eine Liste von Beobachtern, die es bei einer Änderung seiner selbst nacheinander benachrichtigt. Neben der Methode zum Registrieren wird standardmäßig auch eine Methode zum Deregistrieren angeboten. Über diese Methode können sich Beobachter wieder abmelden, so dass sie aus der internen Liste entfernt werden und nicht mehr benachrichtigt werden.
Den Ablauf des Registrierens und der Benachrichtigung verdeutlicht das folgende Sequenzdiagramm (Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Rücknachrichten in diesem Diagramm ausgelassen worden sind. Sie müssten zur Vollständigkeit ergänzt werden.):
Push und Pull
Wenn sich der Zustand des Subjektes ändert, ist für die meisten Beobachter der neue Zustand des Subjektes interessant. Hier lassen sich nun zwei Strategien umsetzen: Das Subjekt kann entweder den geänderten Zustand schon bei der Benachrichtigung des Beobachters mitsenden (Push-Methode). Oder aber der Beobachter kann, sobald er eine Nachricht erhält, dass sich der Zustand des Subjektes geändert hat, selbst aktiv werden und das Subjekt nach seinem neuen Zustand über einen Methodenaufruf befragen (Pull-Methode). Die Push-Methode hat zum Nachteil, dass es eventuell sein kann, dass das Subjekt Informationen sendet, die der Beobachter nicht verwerten kann oder will. Dies ist vor allen Dingen für sehr große Subjekte, die viele Zustände beinhalten der Fall. Auch muss für diesen Fall ein geeignetes Austauschformat, meist eine eigene Klasse, in deren Objekte der Zustand verpackt wird, definiert werden. Die Methode, dass die Beobachter das Subjekt befragen, hat zum Nachteil, dass entsprechende Methoden im Subjekt definiert werden müssen.
Abstrakte Darstellung als UML2-Klassendiagramm
Quellcode in Java
Ohne die Java-API zu nutzen, kann das Observer-Pattern (Beobachter-Muster) wie folgt in Java ausimplementiert werden:
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/** * Subjekt.java */ public interface Subjekt { public abstract void addBeobachter(Beobachter beobachter); public abstract void removeBeobachter(Beobachter beobachter); public abstract void notifyAlleBeobachter(); } |
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/** * Beobachter.java */ public interface Beobachter { public abstract void update(); } |
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/** * KonkretesSubjekt.java */ import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class KonkretesSubjekt implements Subjekt { List beobachterList = new ArrayList(); int state = 0; @Override public void addBeobachter(Beobachter beobachter) { this.beobachterList.add(beobachter); } @Override public void removeBeobachter(Beobachter beobachter) { this.beobachterList.remove(beobachter); } @Override public void notifyAlleBeobachter() { for (Beobachter beobachter : beobachterList) { beobachter.update(); } } public int getState() { return state; } public void setState(int state) { this.state = state; this.notifyAlleBeobachter(); } } |
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/** * KonkreterBeobachter.java */ public class KonkreterBeobachter implements Beobachter { private KonkretesSubjekt konkretesSubjekt; public KonkreterBeobachter(KonkretesSubjekt konkretesSubjekt) { this.konkretesSubjekt = konkretesSubjekt; // Durchführung der Registrierung beim übergebenen Subjekt this.konkretesSubjekt.addBeobachter(this); } @Override public void update() { int newState = konkretesSubjekt.getState(); // ...auf neuen Status reagieren } } |
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/** * Client.java */ public class Client { public static void main(String[] args) { // Erzeugung des Subjektes KonkretesSubjekt konkretesSubjekt = new KonkretesSubjekt(); // Erzeugung des Beobachters. Dabei wird // das Subjekt übergeben und registriert. KonkreterBeobachter konkreterBeobachter = new KonkreterBeobachter(konkretesSubjekt); // Zustandsänderung, Subjekt benachrichtigt // daraufhin die Beobachter konkretesSubjekt.setState(1); } } |
Zum Nachvollziehen ist der Source-Code auf GitHub unter ObserverPattern verfügbar.
Interfaces vs. Abstrakte Klassen
Die Java-API verfügt über ein Interface Observer und eine abstrakte Klasse Observable, die als Basis für das Observer-Pattern genutzt werden können. Durch diese Umsetzung des Observer-Patterns wird klar, dass das oben genannte Interface Subjekt auch durch eine abstrakte Klasse ersetzt werden kann. Dies abstrakte Klasse Observable innerhalb der Java-API beinhaltet schon Methoden, um Beobachter zu benachrichtigen, so dass Code gespart werden kann. Insgesamt ändert sich das Klassendiagramm wie folgt:
Der Quellcode der die Java-API nutzt, sieht wie folgt aus:
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/** * KonkretesSubjekt.java */ import java.util.Observable; public class KonkretesSubjekt extends Observable { int state = 0; public int getState() { return state; } public void setState(int state) { this.state = state; this.setChanged(); this.notifyObservers(); } } |
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/** * KonkreterBeobachter.java */ import java.util.Observable; import java.util.Observer; public class KonkreterBeobachter implements Observer { private KonkretesSubjekt konkretesSubjekt; public KonkreterBeobachter(KonkretesSubjekt konkretesSubjekt) { this.konkretesSubjekt = konkretesSubjekt; // Durchführung der Registrierung beim übergebenen Subjekt this.konkretesSubjekt.addObserver(this); } @Override public void update(Observable o, Object arg) { int newState = konkretesSubjekt.getState(); // ...auf neuen Status reagieren } } |
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/** * Client.java */ public class Client { public static void main(String[] args) { // Erzeugung des Subjektes KonkretesSubjekt konkretesSubjekt = new KonkretesSubjekt(); // Erzeugung des Beobachters. Dabei wird // das Subjekt übergeben und registriert. KonkreterBeobachter konkreterBeobachter = new KonkreterBeobachter(konkretesSubjekt); // Zustandsänderung, Subjekt benachrichtigt // daraufhin die Beobachter konkretesSubjekt.setState(1); } } |
Wichtig ist, dass die setChanged()-Methode aufgerufen wird, bevor die Observer benachrichtigt werden. Wird dies nicht getan, so reagiert die abstrakte Oberklasse Observable nicht auf die Änderung, weil sie denkt, dass sich das Subjekt nicht geändert hat.
Eine negative Seitenerscheinung dieser Implementierung ist es, dass das konkrete Subjekt von keiner weiteren Klasse mehr erben kann als der Klasse Observable. Dadurch muss auf eine Delegation ausweichen, wenn es schon vor der Einführung des Observer-Patterns hier eine Vererbung gegeben hat.
Zum Nachvollziehen ist der Source-Code auf GitHub unter ObserverPatternJDK verfügbar.
Das Beobachtermuster im Video erklärt
Java 8 Sprachfeatures
In Java 8 kommen zum Sprachstandard von Java sogenannte Default-Methoden hinzu, die in den Interfaces implementiert werden. Diese Default-Methoden eignen sich jedoch nicht für die Implementierung des Observer-Patterns, da innerhalb der Interfaces keine Klassen-Attribute deklariert werden können.
Wohl aber lassen sich Lambdas verwenden, um Beobachter kompakt darzustellen. Ein Lambda-Ausdruck ist eine weitere verkürzte Schreibweise einer anonymen Klasse. Hier definieren wir einen Beobachter als anonyme Klasse. Dies ist auch schon mit Java 7 möglich:
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konkretesSubjekt.addBeobachter(new Beobachter() { @Override public void update() { System.out.println ("State changed"); } }); |
Dies kann in Java 8 mit einem Lambda-Ausdruck weiter verkürzt werden:
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konkretesSubjekt.addBeobachter(() -> System.out.println ("State changed")); |
Die beiden runden Klammern () dienen zur Parameterübergabe. Hier können Parameter, die bei dem Aufruf des Beobachters übergeben werden, angegeben werden. Dazu erweitern wir zunächst das Interface Beobachter
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/** * Beobachter.java */ public interface Beobachter { public abstract void update(int pushvalue); } |
Nun können wir einen Lambda-Ausdruck wie folgt formulieren:
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konkretesSubjekt.addBeobachter((pushvalue) -> System.out.println ("State changed to " + pushvalue)); |
Sowohl beim Nutzen einer anonymen Klasse, wie auch bei der Nutzung eines Lambda-Ausdruckes entsteht das Problem, dass wir keine Variable mehr erhalten, in welcher das Objekt des Beobachters vorhanden ist. Wir können den Beobachter nicht mehr vom Subjekt abmelden, da wir keine Referenz haben. Dieses Problem lässt sich jedoch umgehen, indem wir bei der Anmeldung des Beobachters den angemeldeten Beobachter selbst als Rückgabewert zurückgeben. Dafür erweitern wir zunächst das Interface für das Subjekt, so dass addBeobachter ein Objekt mit dem Typ Beobachter zurück gibt:
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/** * Subjekt.java */ public interface Subjekt { public abstract Beobachter addBeobachter(Beobachter beobachter); /* ... weitere Methodenköpfe ... */ } |
Dann erhalten wir den Beobachter sowohl bei der Registrierung durch eine anyonyme Klasse, wie auch durch einen Lambda-Ausdruck:
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Beobachter anonymeKlasseBeobachter = konkretesSubjekt.addBeobachter(new Beobachter() { @Override public void update() { System.out.println ("State changed"); } }); Beobachter lambdaBeobachter = konkretesSubjekt.addBeobachter(() -> System.out.println ("State changed")); // Diese Beobachter können wir nun wieder deregistrieren, // da wir eine Objektreferenz halten konkretesSubjekt.removeBeobachter(anonymeKlasseBeobachter); konkretesSubjekt.removeBeobachter(lambdaBeobachter); |
Zum Nachvollziehen ist der Source-Code auf GitHub unter ObserverPatternJDK8 verfügbar.
Hooks als eine Vereinfachung des Patterns für nur einen Observer
Ein Hook ist eine Methode, welche in der Oberklasse einer Klasse mit einem leeren Methodenrumpf implementiert ist. Damit ist die Methode nicht abstrakt, sondern hat nur keinen Code, der bei ihrer Ausführung durchlaufen wird. Eine Unterklasse kann, muss jedoch nicht, diese Methode überschreiben.
Mit einem Hook kann sich eine Unterklasse eines Subjektes wie ein Beobachter verhalten, muss es aber nicht.
In JavaScript wird das Hook-Konzept massiv für Beobachter genutzt, indem dynamisch Methoden von DOM-Objekten überschrieben werden. So kann genau eine Funktion beispielsweise bei einem Klick auf ein DOM-Element aufgerufen werden.
Probleme des Observer-Patterns und deren Lösung durch AOP
Eines der Probleme des Observer-Patterns ist es, dass eventuell bei einer Zustandsänderung einer Modelklasse sehr viele Observer benachrichtigt werden. Die Beobachter brauchen jeder für sich Rechenzeit, um beispielsweise ihre Anzeige aktualisieren zu können, was das Programm verlangsamt. Wenn nun dieser neue angezeigte Zustand nur ein Zwischenzustand ist, wie dies beispielsweise bei einem Hinzufügen von einem Element nach dem anderen in eine Liste geschieht, wäre die Aktualisierung der Anzeige überhaupt nicht nötig gewesen. Dies kann sich negativ auf die Performance des Gesamtprogrammes auswirken, bis sogar dahin, dass das Programm unbenutzbar wird und nur noch „flackert“. Hier gibt AOP Abhilfe. AOP kann den dynamischen Kontrollfluss des Programmes mit Hilfe eines Aspektes überwachen und feststellen, dass ein Kontrollflussblock verlassen worden ist und dass eine Serie von Änderungen abgeschlossen ist. Änderungsmitteilungen können zurückgehalten werden, bis dieser Moment erreicht ist.
Auch das Problem, dass bei einer allgemeinen Implementierung, wie in der Java API vorhanden, eine Vererbung einer abstrakten Klasse geschehen muss, lässt sich mit Hilfe der aspektorientierten Programmierung lösen. So lässt sich die abstrakte Implementierung des Observer-Patters komplett von seiner konkreten Implementierung trennen, ohne Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Dabei wird ein Aspekt erstellt, der sämtliche Observable-Methoden des Observer-Patterns in die entsprechende konkrete Klasse des Observable injiziert.