设计模式系列之(1):单例模式

1 介绍：
    单例模式是非常简单、非常基础的一种创建型设计模式。单例模式是在Java开发(不论是android开发，还是Java服务器端开发)中经常使用的一个设计模式。由于在Java服务器端开发中经常使用，所以单例模式的实现还涉及到了Java并发编程。在java面试中，常常被要求使用java实现单例模式，因此有必要熟练掌握。本文是自己学习java单例模式的一个总结，参考了网上的很多资料，大部分内容不是原创。在这里要向参考文献的作者表示感谢。
    本文组织结构如下： 2 介绍单例模式的java实现到底有多少种；3-9分别介绍这些实现方式； 10 提出一些进一步的问题； 11 总结本文。

2 到底有多少种实现?
    "【深入】java 单例模式"一文列出了5种实现方式，一种为GOF的、线程不安全的实现方式，剩下4种是线程安全（thread-safe）的实现方式，分别为：同步方法（synchronized function）方式、双重检查加锁（DCL，double-checked  locking）方式、急切加载方式 和内部类方式。

    "Java：单例模式的七种写法"一文列出了7种实现方式：线程不安全方式、同步方法方式、急切加载方式（及其变种）、静态内部类方式、枚举方式和双重校验锁方式。 但急切加载方式及其变种应该统一看做是一种实现。

    所以本文的结论就是： java单例模式一共有下面将要介绍的5种实现方式。

 

4. 第一种： 线程不安全方式（GOF方式经典方式） ( 懒加载)

这是GOF和HeadFirstDesignPattern中介绍的最经典的一种方式。这种方式在单线程情况下可以实现懒加载，但在多线程情况下会出问题。

public class Creation_singleton {        
  // private static instance, which is default null        
  private static Creation_singleton instance;
  // private constructor        
  private Creation_singleton () {
  }                
  // public get instance function        
  public static Creation_singleton getInstance ( ) {
    if ( instance == null ) {         
      instance = new Creation_singleton();        
    }          
    return instance;       
  }  
}

5. 第二种：简单加锁方式 （ synchronized ）

由第一种而来，很自然会想到，保证线程安全的方式可以是使用synchronized关键字。这种方式是线程安全，又是懒加载。但使用synchronized 会降低性能。

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

我们必须避免使用synchronization，因为它很慢。----上述论断在一定程度上已经不是事实了，因为在现代JVM上，如果是无竞争的同步的话，synchronized并不会很慢了。但是当在多线程环境中，多个线程同时竞争getInstance方法时，还是可能会导致性能下降。

之所以说上述论断不是事实，是与显式锁进行比较得出的结论。内置锁一度被认为比Lock显式锁的性能低很多，但随着JVM的优化，synchronized关键字的性能已经不比Lock低很多了。

 
6. 急切加载方式 （ 变种 ）

 1 class Singleton {         
 2   //私有，静态的类自身实例    
 3   private static Singleton instance = new Singleton();         
 4   //私有的构造子(构造器,构造函数,构造方法)    
 5   private Singleton(){}         
 6   //公开，静态的工厂方法     
 7   public static Singleton getInstance() {
 8         return instance;    
 9   }
10 }

 这种方式有一种变种，就是使用静态初始化块来初始化单例。

 有人说这种方式有个缺点：其实跟全局变量是一样的： 不管该实例是不是到了实际被使用的时刻，也不管应用程序最终是不是使用该单例，在类加载 时都会创建该单例，所以叫“急切创建”， 但是这样一来，单例模式的延迟创建的优点就没有了。 所以该版本与全局变量的方式并没有区别（？yes） static 成员变量只有在类加载的时候初始化一次。类加载是线程安全的。 所以该方法实现的单例是线程安全的。 （static的全局变量也是线程安全的）

 但是jvm的类加载也是懒加载的，并不是一开始启动jvm的时候就全部加载所有类。加载这个类，跟创建这个类的实例，二者的时机，在大部分时候，应该是同时的，也就是说，应该不存在很多跟创建这个类的实例无关的、需要加载这个类的情况。正是由于这个原因，这种方式，在NTS代码中使用的很多。


7. 双重检查加锁(dcl)方式
在生产环境中可以看到如下代码，是双重检查加锁的实现。双重检查加锁是简单加锁方式的一种“自作聪明”的改进，其实这种方式在多线程环境下会失败。

   private static SocketFactory instance  = null;

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

双重检查加锁方式也可以正确地被实现，前提是对上述双重检查加锁方式做出一定的改进。这也让双重检查加锁方式成为了最复杂的实现方式。因此这种方式是不被推荐的。 双重检查加锁方式的正确实现由三种：volatile方式、 final方式、 temp instance方式。因为temp instance 方式非常的繁琐，在本文中就不再做介绍了，有兴趣的读者可以去参考文献中找答案。

7.1. 使用DCL+volatile

在Java5中，DCL实际上是可行的，如果你给instance域加上volatile修饰符。例如，如果我们需要给getInstance()方法传递一个database connection的话，那么以下代码是可行的：

public class MyFactory {
  private static volatile MyFactory instance;

  public static MyFactory getInstance(Connection conn)
       throws IOException {
    if (instance == null) {
      synchronized (MyFactory.class) {
        if (instance == null)
          instance = new MyFactory(conn);
      }
    }
    return instance;  
  }

  private MyFactory(Connection conn) throws IOException {
    // init factory using the database connection passed in
  }
}

但是需要注意的是，上述代码仅仅在Java5及其以上版本中才可以，因为Java5对volatiel关键字的语义进行了修正。(Java4及其以前版本中Volatile关键字的语义都不是完全正确的)。当使用Java5获取一个volatile变量时，获取行为具有synchronization同步语义。换句话说，Java5保证了如下的Happen-before规则：对volatile变量的未同步的读操作必须在写操作之后才能发生，从而读线程将会看到MyFactory对象的所有域的正确值。

7.2 把instance域声明为final

从java 5 之后才有的新特性之一是，final 域的语义有了新的变化。这些域的值是在构造函数中被赋值的，JVM会确保这些值在这个对象引用自己之前被提交到主内存。

换句话说，如果其他线程可以看到这个对象，那么它们永远不可能看到这个对象的final域的未经初始化的值。所以在这种情况下，我们将不需要把这个instance的引用声明为volatile。

(问题：是否需要把所有域都声明为final？ )


8. 静态嵌套类方式

public class Creation_singleton_innerClass {          
  private static class SingletonHolder{         
    private static Creation_singleton_innerClass instance = new Creation_singleton_innerClass();     
    }          
  private Creation_singleton_innerClass() {              }          
  public static Creation_singleton_innerClass getInstance() {         
    return SingletonHolder.instance;     
  } 
}    

 该方式与急切创建方式有些类似。 java机制规定，内部类SingletonHolder只有在getInstance()方法第一次调用的时候才会被加载（实现了lazy）， 说明内部类的加载时机跟外部类的加载时机不同。 而且其加载过程是线程安全的（实现线程安全）。内部类加载的时候实例化一次instance,以后不会再初始化。
 该实现方式可以有一些小变化：instance可以加一个final修饰；静态嵌套类可以改为内部类。

9. 枚举方式
 

enum Singleton_enum {    
  INSTANCE;
  void method () {
  }
}

该方式是《effective java》中推荐的方法。 枚举类型是在java1.5中引入的，enum可以看做是一种特殊的class，除了不能继承。INSTANCE是Singleton_enum类的实例。
 
上述代码会被JVM编译为：

final class MySingleton {     
  final static MySingleton INSTANCE = new MySingleton();      
  void method () {     }
}

虽然enum的域是编译时常量，但他们是对应enum类型的实例，他们仅在对应enum类型首次被引用的时候被生成。当代码首次运行到访问INSTANCE处时，类MyStingleton才会被JVM装载和初始化。该装载和初始化过程只初始化static域一次。

10 进一步问题：

我在一次面试中，被问到如下问题：单例模式与static方法的区别是什么？ 当时没回答上来，现在把答案整理如下：

10.1 单例模式与 static方法的简单比较
static 方法无法实现单例；

如果类与其他类的交互比较复杂，容易造成一些跟初始化有关的、很难调试的bug；
static是急切初始化。
static方法最大的不同就是不能作为参数传递给别的方法。单例可以把这个单例object作为参数传递给其他方法，并当做普通对象来使用。
一个静态类只允许静态方法。

11 参考文献：
http://www.cnblogs.com/coffee/archive/2011/12/05/inside-java-singleton.html
http://www.blogjava.net/kenzhh/archive/2015/04/06/357824.html
http://www.raychase.net/257
https://en.wikipedia.org/wiki/Singleton_pattern