Java设计模式之--单例模式-优快云博客

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Java设计模式系列：

设计模式入门：https://blog.youkuaiyun.com/u011863006/article/details/89223282
单例模式：https://blog.youkuaiyun.com/u011863006/article/details/84201592

Java各种技术、各种框架更新的速度越来越快，学习成本越来越高，但是我们学习Java要学习其中不变的部分，其中设计模式就是最高层次的抽象，是高出框架、语言的。所以学习的收益也是最高的，不会被时代淘汰，并且几乎在任何一个面试中都会被问到。
最近在看《Head First设计模式》这本书，准备将其中的感悟结合平时的积累总结一下，写一个设计模式系列博客。

首先就从最简单的单例模式开始吧。单例模式的定义就是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局的访问点。那么什么时候需要单例模式呢，比如说：线程池、连接池、缓存、注册表、日志对象，还有打印机、显卡的驱动程序，这些类只能有一个实例，如果有多个实例就对造成混乱。

单例模式从对象生成的时间上可以分为懒汉模式和饿汉模式，懒汉模式比较懒：就是用到这个对象的时候就创建；饿汉模式比较饥渴：就是在类加载的时候就对对象进行创建。饿汉模式比较简单，我们先说饿汉模式。

饿汉模式

我们以一个打印机为例，因为我们只有一个打印机，所有我们对应的程序中只能有一个打印机的实例对象。为了不让程序随便的new出很多对象，我们最想想到的是将构造函数变成私有的。代码如下图：

package com.sheliming.singlenton.hungry;

/**
 * 打印机类
 * 饿汉模式
 */
public class Printer {
    private static Printer printer = new Printer();

    private Printer() {
    }

    public static Printer getInstance() {
        return printer;
    }
}

这段代码看似很完美，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。
所以下面就进入到我们懒汉式的单例模式：

懒汉式

懒汉式比较复杂，我们一一道来：

1.入门级

懒汉式就是使用的时候new对象，那么就应该在getInstance的时候创建对象，代码如下：

package com.sheliming.singlenton.lazy;

/**
 * 打印机类
 * 懒汉模式
 */
public class Printer {
    private static Printer printer = null;

    private Printer() {
    }

    public static Printer getInstance() {
        if (printer == null) {
            printer = new Printer();

        }
        return printer;
    }
}

这段代码在单线程的时候没有任何问题，但是到了多线程中，就会出问题。例如：当两个线程同时运行到判断if (printer == null)语句，并且instance确实没有创建好时，那么两个线程都会创建一个实例。

2.加snychronized关键字

既然多线程下有问题，我们首先想到的是在getInstance方法上加上snychronized关键字，这样在多线程的方法中同时只有一个线程可以访问这个方法，这样对象只会被初始化一次，在访问的时候if (printer == null)已经不为null了。代码如下

package com.sheliming.singlenton.lazy;

/**
 * 打印机类
 * 懒汉模式,带synchronized关键字
 */
public class Printer2 {
    private static Printer2 printer = null;

    private Printer2() {
    }

    public synchronized static Printer2 getInstance() {
        if (printer == null) {
            printer = new Printer2();

        }
        return printer;
    }
}

但是这个方法也有缺点：每次通过getInstance方法得到singleton实例的时候都有一个试图去获取同步锁的过程。而众所周知，加锁是很耗时的。能避免则避免。

3.双重校验锁（Double-Check）

下面这种方法不仅可以避免线程安全的问题，而且可以避免每次获取对象的时候进行加锁，代码如下：

package com.sheliming.singlenton.lazy;

/**
 * 打印机类
 * 懒汉模式,双重校验锁
 */
public class Printer3 {
    private static Printer3 printer = null;

    private Printer3() {
    }

    public static Printer3 getInstance() {
        if (printer == null) {
            synchronized (Printer3.class) {
                if (printer == null) {
                    printer = new Printer3();
                }
            }
        }
        return printer;
    }
}

4.终极版本volatile关键字

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：

package com.sheliming.singlenton.lazy;

/**
 * 打印机类
 * 懒汉模式,双重校验锁
 */
public class Printer4 {
    private static volatile Printer4 printer = null;

    private Printer4() {
    }

    public static Printer4 getInstance() {
        if (printer == null) {
            synchronized (Printer4.class) {
                if (printer == null) {
                    printer = new Printer4();
                }
            }
        }
        return printer;
    }
}

这种方法是可以在生产环境中使用的！！

5、静态内部类

除了以上几种方法，还有2中比较巧妙的方法。首先是静态内部类的方法：

package com.sheliming.singlenton.lazy.staticclass;

/**
 * 打印机类
 * 静态内部类
 */
public class Printer {
    private static class PrinterHolder{
        public static Printer printer = new Printer();
    }

    private Printer() {
    }

    public static Printer getInstance() {

        return PrinterHolder.printer;
    }
}

这种写法非常巧妙：

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。

6.枚举实现

还有最后一种方式：

public enum SingleInstance {
    INSTANCE;
    public void fun1() { 
        // do something
    }
}
// 使用
SingleInstance.INSTANCE.fun1();

上面提到的四种实现单例的方式都有共同的缺点：

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。
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。但是它仍然不是完美的——比如，在需要继承的场景，它就不适用了。