设计模式之单例模式

定义

    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。即一个类只有一个对象实例。

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作用

    1.对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级对象而言，是非常可观的一笔系统开销；
    2.由于 new 操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻 GC 压力，缩短 GC 停顿时间。

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Java语言实现

饿汉式

public class Singleton {    private Singleton() {}    private static final Singleton instance = new Singleton();    public static Singleton getInstance() {        return singleton;    }}

    上述代码唯一的不足是无法对 instance 实例做延时加载，例如单例的创建过程很慢，而由于 instance 变量是 static 定义的，因此在 JVM 加载单例类时，单例对象就会被建立，如果此时这个单例类在系统中还扮演其他角色，那么在任何使用这个单例类的地方都会初始化这个单例变量，而不管是否会被用到。

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懒汉式，线程不安全

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

    这个实现适合于单线程程序。然而，当引入多线程时，就必须通过同步来保护 getInstance() 方法。如果不保护 getInstance() 方法，则可能返回Singleton 对象的两个不同的实例。

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懒汉式，线程安全

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

    代码针对多线程访问 getInstance() 方法运行得很好。然而，当分析这段代码时，您会意识到只有在第一次调用方法时才需要同步。由于只有第一次调用执行了 //2 处的代码，而只有此行代码需要同步，因此就无需对后续调用使用同步。所有其他调用用于决定 instance 是非 null 的，并将其返回。多线程能够安全并发地执行除第一次调用外的所有调用。尽管如此，由于该方法是synchronized 的，需要为该方法的每一次调用付出同步的代价，即使只有第一次调用需要同步。这就引出了双重检验锁。

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双重检验锁

public static Singleton getSingleton() {    if (instance == null) {                         //Single Checked        synchronized (Singleton.class) {            if (instance == null) {                 //Double Checked                instance = new Singleton();            }        }    }    return instance ;}

    这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于instance = 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 instance 分配内存
2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
3. 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 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。

    我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {    private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile    private Singleton (){}    public static Singleton getSingleton() {        if (instance == null) {                                     synchronized (Singleton.class) {                if (instance == null) {                           instance = new Singleton();                }            }        }        return instance;    }}

    有些人认为使用 volatile 的原因是可见性，也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本，每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。

    但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

    相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式，当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

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静态内部类 static nested class

    这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

public class Singleton {      private static class SingletonHolder {          private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();      }      private Singleton (){}      public static final Singleton getInstance() {          return SingletonHolder.INSTANCE;     }  }

    这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

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枚举 Enum

    用枚举写单例实在太简单了！这也是它最大的优点。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法。

public enum EasySingleton{    INSTANCE;}

    我们可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例，这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的，所以不需要担心double checked locking，而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。但是还是很少看到有人这样写，可能是因为不太熟悉吧。

参考资料

1.Java单例模式中双重检查锁的问题
2.正确使用双重检查锁(DCL)
3.双重检查锁失效是因为对象的初始化并非原子操作？
4.从Java实现Singleton模式的一个bug到Java内存模型