设计模式(6)-单例模式

---

更多关于设计模式的文章请点击：设计模式之禅(0)-目录页

---

单件模式是面向对象设计模式中常用的一种设计模式，它主要的作用是使得某个对象在全局程序中只有唯一的一个实例，并且在全局中只有一个创建实例的访问点。这种模式通常采用在线程池、连接池、单一记录器等的使用和实现中。

一、单件模式的实现

单件模式（Singleton Pattern）在23种设计模式中属于比较简单的那一类，隶属于创建型模式。它的主要思想是在全局中只有一个获得实例的创建点，并且将构造函数私有，不能由外部程序随意地创建它的实例。

1.1 饿汉式

饿汗式的单例模式，顾名思义即在程序启动的时候将单例类直接初始化，这种最简单的一种单例模式实现：

• SingletonObject0

/**
 * @Description: 单件模式构造（饿汗式）
 * @CreateDate: Created in 2018/11/29 10:54
 * @Author: <a href="https://blog.youkuaiyun.com/pbrlovejava">arong</a>
 */
public class SingletonObject0 {
    private static SingletonObject0 singletonObject = new SingletonObject0();
    //构造函数私有，外部类无法直接创建该对象
    private SingletonObject0(){
    }

    //全局唯一的获得实例点
    public static SingletonObject0 getInstance() {
        return  singletonObject;
    }
}

饿汗式实现有一个缺点，就是程序启动时即在全局创建了唯一的一个单例对象，但是若程序长时间都没有用过这个对象，会导致其过早初始化，浪费内存的浪费

1.2 懒汉式

懒汉式的实现指的是在程序中有使用到单例对象时才进行初始化。如果以时空角度来看，懒汉式是典型的使用时间换取空间，懒加载会需要时机判断，但是无需一开始初始化，节约内存分配；而饿汉式是典型的空间换取时间，在程序一开始初始化占用了内存，但是却无需进行时机判断。

• SingletonObject1

/**
 * @Description: 单件模式构造（懒汉式）
 * @CreateDate: Created in 2018/11/29 10:54
 * @Author: <a href="https://blog.youkuaiyun.com/pbrlovejava">arong</a>
 */
public class SingletonObject1 {
    private static SingletonObject1 singletonObject;
    //构造函数私有，外部类无法直接创建该对象
    private SingletonObject1(){
    }

    //全局唯一的获得实例点
    public static SingletonObject1 getInstance(){
        //判断对象是否已经被创建，没有被创建则新建对象
        if( singletonObject == null){
            singletonObject = new SingletonObject1();
        }
        return singletonObject;
    }
}

通过私有化构造器并且提供唯一的实例获得点，就可以实现SingletonObject在全局中只存在唯一的一个实例了。

     @Test
        public void fun1() {
            SingletonObject1 singletonObject1 = SingletonObject1.getInstance();
            SingletonObject1 singletonObject2 = SingletonObject1.getInstance();
            System.out.println(singletonObject1+"\n"+singletonObject2);
        }

二、在并发下单件模式的改进

2.1 使用闭锁测试单件模式的正确性

上面写的单件模式代码似乎已经可以在全局中只产生一个实例了，可是如果在多线程模式下，以上代码还能实现单件吗？我使用了闭锁来测试并发时是否仍然能获得唯一的单件类：【关于闭锁的使用可以阅读我的一篇文章：Java并发编程(9)-使用闭锁测试并发线程安全性】

 @Test
    public void concurrentTest(){
        //开始闭锁
        CountDownLatch startLatch = new CountDownLatch(1);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread() {
              public void run(){
                  try {
                      //线程运行至闭锁处等待
                      startLatch.await();
                  } catch (InterruptedException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
                  //5个线程并发执行任务
                 new MyTask().run();
                }

            }.start();
        }

        //线程全部集结在闭锁下，开锁
        startLatch.countDown();
    }

    //任务类
    public class MyTask implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            //获得单例类
            SingletonObject1 instance = SingletonObject1.getInstance();
            //打印地址
            System.out.println(instance);
        }
    }

在这个测试中，我只让5个线程去并发地获得单件类实例，可是却出现了问题，单件的实例并不唯一了：

2.2 同步式

要使得单件模式在并发条件下仍然正确，最简单的方式就是使用同步锁来限制同时读取实例的线程数，这个做法很安全，但是会影响速度：

• SingletonObject3

/**
 * @Description: 单件模式构造（同步式）
 * @CreateDate: Created in 2018/11/29 10:54
 * @Author: <a href="https://blog.youkuaiyun.com/pbrlovejava">arong</a>
 */
public class SingletonObject3 {
    private static SingletonObject3 singletonObject;
    //构造函数私有，外部类无法直接创建该对象
    private SingletonObject3(){
    }

	 //全局唯一的获得实例点
    public static synchronized SingletonObject3 getInstance(){
        //判断对象是否已经被创建，没有被创建则新建对象
        if( singletonObject == null){
            singletonObject = new SingletonObject1();
        }
        return  singletonObject;
    }

2.3 二重检查加锁

对于同步锁而言，还可以使用更加轻量的volatile关键字来实现线程之间对实例状态的检查加锁：

public class SingletonObjec4 {
   private volatile static SingletonObject4 singletonObject;

   //构造方法私有化，只能在本类中调用构造方法
   private SingletonObject(){
   }
   /**
    *@description 获得全局唯一的实例(二重检查加锁)
    *@author arong
    *@date 2018/11/27
    *@param:
    *@return com.iteason.singletonPattern.SingletonObject
    */
   public static SingletonObject4 getInstance(){
       //一重检查
       if(singletonObject == null) {
     	  	//加锁
           synchronized (singletonObject){
               //二重检查
               if (singletonObject == null) {
            	   singletonObject = new SingletonObject();
               }
           }
       }
           return singletonObject;
   }
}

2.4. 典型错误-缺失volatile

在双重检查加锁的单例模式中，如果单例对象不使用volatile进行修饰的话，因为创建对象的重排序的原因，将初始化和分配内存这两个步骤颠倒，那么会导致创建对象时的误判，导致返回一个空对象。

一个错误的双重检查加锁Demo

public class Singleton {
    private Singleton instance = null;
    private Singleton() {}
    
    public Singleton getInstance() {
        // 先判断对象是否已经初始化
        if (instance == null) {
            synchronized (instance) {
                // 确定对象没有初始化
                if (instance == null) {
                    return new Singleton();
                }
            }
        }
        return object;
    }
}

上述代码发生错误的原因在于return new Singleton()这行代码，这行代码并不是一个原子性的的操作，它可以分为以下三个阶段：

1.分配对象内存
2.初始化对象
3.将对象引用到内存空间

其中，在将对象引用到内存空间时，instance就不等于null了。

在单线程情况下，2和3指令发生重排序，但是由于as-if-serial语义，其执行结果也是不变的：

在多线程情况下，有可能会发生以下的执行顺序，导致程序执行结果出错：
A线程在执行到第3步的时候即设置instance指向内存空间，此时B线程判断其不为空，返回instance，但此时instance并未进行初始化，所以出现了错误，返回了一个空对象。

解决该问题的方法是在instance前加上volatile修饰，这样就能禁止重排序。