设计模式-单例模式

什么是单例？

单例对象的类必须保证只有一个实例存在。

对单例的实现可以分为两大类——懒汉式和饿汉式，他们的区别在于：
懒汉式：指全局的单例实例在第一次被使用时构建。
饿汉式：指全局的单例实例在类装载时构建。

懒汉式单例

懒汉式：指全局的单例实例在第一次被使用时构建。

1.最简单的写法Version 1：

// Version 1
public class Single1 {
    private static Single1 instance;
    public static Single1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Single1();
        }
        return instance;
    }
}

2.把构造器改为私有的，这样能够防止被外部的类调用。

// Version 1.1
public class Single1 {
    private static Single1 instance;
    private Single1() {}
    public static Single1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Single1();
        }
        return instance;
    }
}

当多线程工作的时候，如果有多个线程同时运行到if (instance == null)，都判断为null，那么两个线程就各自会创建一个实例——这样一来，就不是单例了。

3.synchronized版本
可能会因为多线程导致问题，那么在方法签名上多加了一个synchronized
修改后的代码如下，相对于Version1.1，：

// Version 2 
public class Single2 {
    private static Single2 instance;
    private Single2() {}
    public static synchronized Single2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Single2();
        }
        return instance;
    }
}

给gitInstance方法加锁，虽然会避免了可能会出现的多个实例问题，但是会强制除T1之外的所有线程等待，实际上会对程序的执行效率造成负面影响。

4.双重检查（Double-Check）版本

// Version 3 
public class Single3 {
    private static Single3 instance;
    private Single3() {}
    public static Single3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Single3.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Single3();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

其中有两次if (instance == null)的判断，这个叫做双重检查 Double-Check。

a.第一个if (instance == null)，其实是为了解决Version2中的效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段——大大减少了几率。

b.第二个if (instance == null)，则是跟Version2一样，是为了防止可能出现多个实例的情况。

什么是原子操作？
简单来说，原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。
比如，简单的赋值是一个原子操作：

m = 6; // 这是个原子操作

假如m原先的值为0，那么对于这个操作，要么执行成功m变成了6，要么是没执行m还是0，而不会出现诸如m=3这种中间态——即使是在并发的线程中。

而，声明并赋值就不是一个原子操作：

int n = 6; // 这不是一个原子操作

对于这个语句，至少有两个操作：
①声明一个变量n
②给n赋值为6
——这样就会有一个中间状态：变量n已经被声明了但是还没有被赋值的状态。
——这样，在多线程中，由于线程执行顺序的不确定性，如果两个线程都使用m，就可能会导致不稳定的结果出现。

什么是指令重排？

简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。
比如，这一段代码：

int a ;   // 语句1 
a = 8 ;   // 语句2
int b = 9 ;     // 语句3
int c = a + b ; // 语句4

正常来说，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。
但是，由于指令重排的原因，因为不影响最终的结果，所以，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。
由于语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分成原子操作，再重排。
——也就是说，对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。

要在于singleton = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。
1. 给 singleton 分配内存
2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）
但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

由于有一个instance已经不为null但是仍没有完成初始化的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance == null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。
这里的关键在于——线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。

5.终极版本：volatile

// Version 4 
public class Single4 {
    private static volatile Single4 instance;
    private Single4() {}
    public static Single4 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Single4.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Single4();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

volatile关键字的一个作用是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障（什么是内存屏障？），这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。

注意：volatile阻止的不singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。

饿汉式单例

饿汉式单例是指：指全局的单例实例在类装载时构建的实现方式。

1.饿汉式单例的实现方式

//饿汉式实现
public class SingleB {
    private static final SingleB INSTANCE = new SingleB();
    private SingleB() {}
    public static SingleB getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

缺点：由于INSTANCE的初始化是在类加载时进行的，而类的加载是由ClassLoader来做的，所以开发者本来对于它初始化的时机就很难去准确把握：
a.可能由于初始化的太早，造成资源的浪费
b.如果初始化本身依赖于一些其他数据，那么也就很难保证其他数据会在它初始化之前准备好。

什么时候是类装载时？

大致有这么几个条件会触发一个类被加载：
a. new一个对象时
b. 使用反射创建它的实例时
c. 子类被加载时，如果父类还没被加载，就先加载父类
d. jvm启动时执行的主类会首先被加载

2.静态内部类实现饿汉式单例

// Effective Java 第一版推荐写法
public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static final Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

对于内部类SingletonHolder，它是一个饿汉式的单例实现，在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步，使INSTANCE是一个真·单例。

同时，由于SingletonHolder是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。

它利用了ClassLoader来保证了同步，同时又能让开发者控制类加载的时机。从内部看是一个饿汉式的单例，但是从外部看来，又的确是懒汉式的实现。

3.枚举实现饿汉式单例

// Effective Java 第二版推荐写法
public enum SingleInstance {
    INSTANCE;
    public void fun1() { 
        // do something
    }
}

// 使用
SingleInstance.INSTANCE.fun1();

创建枚举实例的过程是线程安全的。

这种写法在功能上与共有域方法相近，但是它更简洁，无偿地提供了序列化机制，绝对防止对此实例化，即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这中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。但是在需要继承的场景，它就不适用了。