每天一个设计模式（7）：单例模式

7.单例模式

一. 定义

　　单例对象（Singleton）也叫单件模式，是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在(即只可以创建一个对象)，并提供一个全局访问点。单件模式通过利用延时实例化的方式来创建单例，这种做法对资源敏感的对象特别重要，故常常被用来管理共享的资源，例如数据库连接或者线程池。

　　单件模式的实现是通过private构造函数，类中含有一个静态方法getInstance()，调用这个方法可以创建并返回唯一的对象，也可能返回的是已经创建好的对象。

二. UML关系图

三. 优点

1. 某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。
2. 省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
3. 有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。
4. 虽然全局变量基本上是对对象的静态引用，但是全局变量要在一开始就创建（不能延时实例化），容易造成资源浪费；另外，全局变量虽可提供全局访问，但不能确保只有一个实例，而单例模式可以确保类只有一个实例并提供全局访问。

四. 实现代码

首先写一个简单的单例类：

public class Singleton {

    /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */
    private static Singleton instance = null;

    /* 私有构造方法，防止被实例化 */
    private Singleton() {
    }

    /* 静态工程方法，创建实例 */
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
    public Object readResolve() {
        return instance;
    }
}

　　这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题。为了解决同步问题，我们可以对getInstance方法加synchronized关键字，如下所示：

public static synchronized Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        instance = new Singleton();
    }
    return instance;
}

　　但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了。所以，如上做法是不合适的，那我们可以将synchronized关键字加在类的内部，如下所示：

public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (instance) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance;
}

　　如上代码似乎解决了之前提到的问题，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

1. A、B线程同时进入了第一个if判断
2. A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();
3. 由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。
4. B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
5. 此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

　　我们还需要对程序做进一步优化，如下所示：

private static class SingletonFactory{         
    private static Singleton instance = new Singleton();         
}         
public static Singleton getInstance(){         
    return SingletonFactory.instance;         
} 

　　实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

/*相对完美的单例模式*/
public class Singleton {
    
    private Singleton() {/* 私有构造方法，防止被实例化 */
    }
    
    private static class SingletonFactory {/* 此处使用一个内部类来维护单例 */
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance() {/* 获取实例 */
        return SingletonFactory.instance;
    }

    public Object readResolve() {/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
        return getInstance();
    }
}

　　其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。

　　另外，还可以利用枚举来实现单例模式在Java中，为了强制只实例化一个对象，最好的方法是使用一个枚举量。

　　这里有几个原因关于为什么在Java中宁愿使用一个枚举量来实现单例模式：

• 自由序列化；
• 保证只有一个实例（即使使用反射机制也无法多次实例化一个枚举量）；
• 线程安全；

/**

* Singleton pattern example using Java Enumj

*/

public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

　　代码就这么简单，你可以使用EasySingleton.INSTANCE调用它，比起你在单例中调用getInstance()方法容易多了。

参考：《Head Frist 设计模式》

http://blog.csdn.net/zhangerqing/article/details/8194653