JAVA设计模式之单例模式-优快云博客

单例模式是面试时经常被问到的一种设计模式，一直觉得它比较简单就一直拖着没有看，今天看了许多关于单例模式的博客，发现它并没有我所想的那么简单，too young，too naive！！！
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一个类只有一个实例
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。”
引用链接：http://blog.youkuaiyun.com/goodlixueyong/article/details/51935526

显然单例模式的要点有三个；一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。
从具体实现角度来说，就是以下三点：一是单例模式的类只提供私有的构造函数，二是类定义中含有一个该类的静态私有对象，三是该类提供了一个静态的公有的函数用于创建或获取它本身的静态私有对象。

1、饿汉模式

package singleton;

public class Singleton{  

    //静态私有对象
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    //只提供私有的构造函数
    private Singleton(){}  
    //静态的公有的函数用于获取它本身的静态私有对象。
    public static Singleton getInstance(){  
        return instance;  
    }  
}

饿汉模式是最简单的一种实现方式，饿汉模式在类加载的时候就对实例进行创建，实例在整个程序周期都存在。
它的好处是只在类加载的时候创建一次实例，不会存在多个线程创建多个实例的情况，避免了多线程同步的问题。
它的缺点也很明显，即使这个单例没有用到也会被创建，而且在类加载之后就被创建，内存就被浪费了。

线程安全，但是不能延迟加载！！！

这种实现方式适合单例占用内存比较小，在初始化时就会被用到的情况。但是，如果单例占用的内存比较大，或单例只是在某个特定场景下才会用到，使用饿汉模式就不合适了，这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载。

2.1、懒汉模式（线程不安全）

package singleton;

public class Singleton02{  

    //静态私有对象
    private static Singleton02 instance = null; 

  //只提供私有的构造函数
    private Singleton02(){}  

  //静态的公有的函数用于创建获取它本身的静态私有对象。
    public static Singleton02 getInstance(){  
        if(null == instance){  
            instance = new Singleton02();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建直接返回之前创建的对象。
如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。
但是这里的懒汉模式并没有考虑线程安全问题，在多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法，导致创建多个实例，因此需要加锁解决线程同步问题。

线程不安全，但是延迟加载！！！

2.2、懒汉模式（同步方法，线程安全）

public class Singleton02{  
    private static Singleton02 instance = null;  
    private Singleton02(){}  
    public static synchronized Singleton02 getInstance(){  
        if(null == instance){  
            instance = new Singleton02();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

加锁的懒汉模式看起来即解决了线程并发问题，又实现了延迟加载，然而它存在着性能问题，依然不够完美。synchronized修饰的同步方法比一般方法要慢很多，如果多次调用getInstance()，累积的性能损耗就比较大了。

线程安全，并且实现延迟加载，但是性能损耗就比较大！！！

3.双重校验锁

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

可以看到上面在同步代码块外多了一层instance为空的判断。由于单例对象只需要创建一次，如果后面再次调用getInstance()只需要直接返回单例对象。因此，大部分情况下，调用getInstance()都不会执行到同步代码块，从而提高了程序性能。
不过还需要考虑一种情况，假如两个线程A、B，
A执行了if (instance == null)语句，它会认为单例对象没有创建，此时线程切到B也执行了同样的语句，B也认为单例对象没有创建，然后两个线程依次执行同步代码块，并分别创建了一个单例对象。为了解决这个问题，还需要在同步代码块中增加if (instance == null)语句。

我们看到双重校验锁即实现了延迟加载，又解决了线程并发问题，同时还解决了执行效率问题，是否真的就万无一失了呢？

这里要提到Java中的指令重排优化。所谓指令重排优化是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快。JVM中并没有规定编译器优化相关的内容，也就是说JVM可以自由的进行指令重排序的优化。

这个问题的关键就在于由于指令重排优化的存在，导致初始化Singleton和将对象地址赋给instance字段的顺序是不确定的。在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。此时就可以将分配的内存地址赋值给instance字段了，然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstance()，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。
以上就是双重校验锁会失效的原因，不过还好在JDK1.5及之后版本增加了volatile关键字。volatile的一个语义是禁止指令重排序优化，也就保证了instance变量被赋值的时候对象已经是初始化过的，从而避免了上面说到的问题。代码如下：

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

线程安全，并且实现延迟加载，也解决同步锁带来的执行效率问题！！！

4、静态内部类

public class Singleton{  
    private static class SingletonHolder{  
        public static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
    private Singleton(){}  

    public static Singleton getInstance(){  
        return SingletonHolder.instance;  
    }  
}

这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个instance实例。它与饿汉模式一样，也是利用了类加载机制，因此不存在多线程并发的问题。不一样的是，它是在内部类里面去创建对象实例。这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。

线程安全并且实现延迟加载！！！

5.枚举

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

上面提到的四种实现单例的方式都有共同的缺点：
1）需要额外的工作来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例。
2）可以使用反射强行调用私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

而枚举类很好的解决了这两个问题，使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。因此，《Effective Java》作者推荐使用的方法。不过，在实际工作中，很少看见有人这么写。

这种方法在功能上与公有域方法相近，但是它更加简洁，无偿提供了序列化机制，绝对防止多次实例化，即使是在面对复杂序列化或者反射攻击的时候。虽然这种方法还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。 —-《Effective Java 中文版第二版》

JAVA设计模式之单例模式

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