【设计模式篇】单例模式

01 单例模式

　　单例模式，只有一个实例存在于整个JVM中，保证只有一个实例，并可以被外界访问。它是一种常用的设计模式之一。实现单例模式

的方法有很多种，然而需要考虑包括线程安全在内的一些因素。以下列举了几种典型的实现方法。

02 实现及问题

 方法一：懒汉式实现

　　【懒汉式】私有化构造函数，创建静态方法，提供单例引用，延迟加载。　重大缺陷：线程不安全，线程A希望能够使用Singleton

实例，于是第一次调用静态方法getInstance()，发现此时singleton==null，准备创建实例，突然CPU发生时间片切换，线程B也希望

调用该实例，此时A并未创建，因此singleton==null，B创建Singleton实例，执行完成后，线程A继续执行，因为已经判断过singleto

n==null，所以也创建了一个实例对象。 最终导致单例失败。

/**
 * 懒汉式 写法1
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton {
    private Singleton(){
        
    }
    private static Singleton singleton=null;
    //静态工厂方法
    public static Singleton getInstance(){
        if(singleton==null){
            singleton=new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

 方法二：饿汉式实现

 　　【饿汉式】懒汉式存在线程安全问题，无法在多线程下实现单例。饿汉式的方法就是可以在类加载时创建一个静态实例。其缺点在

于类的初始化开销大。然而却是天生安全的。

/**
 * 饿汉式：类初始化时，实例化。
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton3 {
    private Singleton3(){
        
    }
    private static final Singleton3 singleton=new Singleton3();
    public static Singleton3 getInstance(){
        return singleton;
    }
}

方法三：同步懒汉式1

　　【synchronized】在静态方法getInstance()前添加synchronized同步关键字实现方法同步， 重大缺点：执行效率低。每一次调

用getInstance()都需要加锁，而加锁是非常耗时的，应尽量避免。

/**
 * 同步懒汉式1，添加synchronized
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton1 {
    private Singleton1(){
        
    }
    private static Singleton1 singleton=null;
    //静态工厂方法
    public static synchronized Singleton1 getInstance(){
        if(singleton==null){
            singleton=new Singleton1();
        }
        return singleton;
    }
}

方法四：双重检测懒汉式

 　　双重检测：即在同步块前后分别判断实例是否不为空。可以减少同步数。只有当instance==null的时候，才需要进入同步块，进行

加锁操作。当已经创建后，则无需进入同步块，即不需要加锁操作，只有第一次需要创建实例对象时，多个线程才需要进入同步块，节

省了时间。

/**
 * 双重检测懒汉式：双重检测，提高效率
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton2 {
    private Singleton2(){
        
    }
    private static volatile  Singleton2 singleton=null;
    //静态工厂方法
    public static Singleton2 getInstance(){
        if(singleton==null){    //若该线程检测到不为空，则不用创建，否则，进入同步块
            synchronized(Singleton2.class){
                if(singleton==null){    //多个线程开始同步，若一个线程创建成功，则其它后进入的线程都不用创建
                    singleton=new Singleton2();
                }
            }
            
        }
        return singleton;
    }
}

　　在双重检测中，使用了 volatile 关键字，能够保证访问到的变量是最后修改的。为什么要加volatile关键字呢？因为在Java中双重

检测很可能导致失败的结果，得到一个存在但未初始化完成的实例。《Java与模式》的总结是：在Java编译器中，Singleton类的初

始化与instance变量赋值的顺序不可预料。如果一个线程在没有同步化的条件下读取instance引用，并调用这个对象的方法的

话，可能会发现对象初始化过程尚未完成，从而造成崩溃。

　　其原因在于 Java虚拟机中实现的 无序写入 问题。所谓无序写入，JVM编译器能用不同的顺序从程序的解释中生成指令，并且存储

变量在寄存器中，而并非内存，处理器可以并行或者颠倒次序的执行指令。完成的结果与严格连续执行的结果一致。例如在双重检测中

singleton=new Singleton() 语句可能包含下列伪代码表示的指令。

　　----------------------------------------------------------

　　memory=allocate()；　//1、分配内存

　　memory=Singleton();　　//2、初始化实例

　　singleton=memory；　　//3、将实例赋值给引用变量。

　　----------------------------------------------------------

　　由于JVM中存在无序写入 问题，那么很可能先执行语句3，再执行语句2。即如下所以：

　　----------------------------------------------------------

　　memory=allocate();　　//1、分配内存

　　singleton=memory();　　//2、将未初始化的实例复制给引用变量

　　memory=Singleton();　　//3、实例初始化

　　----------------------------------------------------------

　　如果在执行语句2后，线程切换成另外一个线程，此时线程可知 instance!=null，然而此时该实例却是未初始化的。详细解释

可以参考文献[1]。

　　那么是否加了volatile关键字 双重检测就达到最优了呢？不是，因为volatile与synchronized有相当的含义，访问变量时

效率同synchronized。且由于两次检测，相比synchronized block 效率更低一些。[1]

 方法五： 静态内部类

 　　使用静态内部类存放静态实例对象。在加载Singleton类时，并不加载内部类，在调用getInstance()时调用内部类，静态实例时，

才加载静态内部类和内部静态实例对象。从而达到延时加载的目的。

/**
 * 懒汉式：通过静态内部类实现方式，既实现了线程安全，又提高了效率
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton4 {
    private Singleton4(){
        
    }
    public static Singleton4 getInstance(){
        return Instance.singleton;    //当需要返回实例的时候，初始化创建静态实例对象。
    }
    
    private static class Instance{    
        private static final Singleton4 singleton=new Singleton4();
    }
}

 方法六：Enum枚举实现

 　　在《Effective Java》中提到，从Java1.5发行版本起，只需编写一个包含单个元素的枚举类型，实现Singleton。

/**
 * 枚举类型实现单例
 * @author Administrator
 *
 */
public class Singleton5 {
    public enum Singleton{
        INSTANCE;
        
        public void method(){
            //任意方法
        }
    }    

    public static void main(String[] args) {
        Singleton.INSTANCE.method();
    }
}

　　枚举方法 简洁明了，并提供序列化机制，不会在反序列化实例时创建新实例（在其他单例方法中如果要变成可序列化的，不仅要加

上implements Serializable，还需要提供readResolve方法，参加《effective Java》）。也不会受到反射机制的影响，是实现单例

模式的最佳方法。

03 梳理概念点

　　反射机制破坏单例模式：通过反射机制 例如借助AccessibleObject.setAccessible方法调用私有构造方法。如果要防止这种机制的

影响，需要在构造方法中添加判断如果创建第二个实例则抛出异常。

04 感谢

　　[1]　Robin Hu的专栏 　　http://blog.csdn.net/hudashi/article/details/6949379

　　[2]　cantellow　　http://cantellow.iteye.com/blog/838473

　　[3]　junJZ_2008　　http://jiangzhengjun.iteye.com/blog/652440

　　[4]　zhoujy　http://my.oschina.net/zhoujy/blog/134958

　　[5]　FinderCheng　　http://devbean.blog.51cto.com/448512/203501/

 　  [6]　炸斯特　　http://blog.csdn.net/jason0539/article/details/23297037

　　[7]　Joshua Bloch 著，杨春花，俞黎敏 译　《Effective Java中文版》