设计模式之单例模式

简介

写这篇文章的目的呢，其实很简单，就是让更多的人明白，更加透彻的理解单例模式，或许大家以为单例模式嘛，大家都会些，简简单单，就那么两种，懒汉式或者说恶汉式，在多了解一点的，懒汉式和恶汉式的结合版，呵呵，貌似好像没有什么卵用，接下来，请看正解。

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单例模式-情景分析

常见的单例模式代码（1/3）

这个呢，其实大家都知道，这是最为常见的单例模式，也就是单例中的懒汉式，就是在你需要使用对象的时候，在去new 一个出来，那么这样下有什么特点：

特点：延迟加载，需要的时候才使用。
缺点：单线程使用是没问题的，但是我们的web开发都是需要并发的，所以这个代码适用场景较小

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常见的单例模式代码（2/3）

这种，也就是单例模式中的恶汉式，就是在一开始，我就给new 出对象，就像一个饿了的人，太饿了，先拿着东西吃，那么这个有什么特点了

优点：线程安全
缺点：不是延迟加载的，当构造这样的单例非常重量级，但是这个单例可能很久也用不到一次的时候比较受伤。（这样的场景比较少）

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常见的单例模式代码（3/3）

那么这种情况下的单例模式，你们是不是就觉得少见了，对于大部分人来说，知道前面两种是必然，知道以下的那么就可能没多少人了吧，我来解释下这个代码

使用内部类方式（static holder），既支持了延迟加载，也是线程安全的，较完美的解决方案。

这种呐，一般情况下，绝大多数人都是这样去写的，这样的解决方案的确算是接近完美了。

是不是大家以为，单例模式到这里基本是就接近于结束了，over了，那你就大错特错了，加下来带你看看其他的东西

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思考点

第一种单例模式

回过头看来第一种单例模式的代码，要让他支持多线程环境，有其他改动方法么？

上面我们知道这种代码的特点了，那么针对这种情况，我们有上面好的方法解决了呐

常见的解决方法

我们在这个地方增加synchronized关键字，这样是线程安全的，但是这样做有什么缺点呢？

因为在方法上使用了synchronized关键词，每次获取单例都要同步，而同步的成本较高，所有讲同步的书籍都告诉我们，要缩小synchronized使用的范围

那么我们如何解决?

lowB一些的会这样改

这样又会出现什么问题？

前述代码存在多线程bug，有可能会创建多个对象

那要怎么改进呢？

牛逼一些的会这样写：

这样写的原因是什么：

1.这样的代码有个术语，叫：双重检查锁定（DCL），前述代码貌似解决了多线程bug,把synchronized限定在最小的范围，拥有不错的性能，而且是懒加载的，好像无可挑剔，实际上我也看到过不少人是这么写的。

2.表面看起来确实是这样，然而不幸的是：这个代码仍然有问题

问题在那？

一、使用DCL能确保只生成单例，他的问题在于可能让其他线程看到这个单例的未构建完全的样子。
二、DCL背后的理论是完美的，他失败的原因不是jvm的bug，而是java的内存模型导致的，关键原因在于：new操作不是原子的，而java内存模型允许指令重排。

一：大家认为的new对象的过程

比如instance = new Instance();这样的代码，编译器可以翻译为三步：
1).mem= allocate();//分配内存
2).callConstructor(mem);//调用构造函数
3). Instance=mem;//把内存指针赋值给instance。

如果是这样的方式，DCL可以正常工作。

二：指令重排

但是编译器也可能按这样的顺序执行：
1).mem= allocate();//分配内存
2).Instance=mem;//把内存指针赋值给instance，注意此时instance已经是非null了。
3).callConstructor(instance);//调用构造函数

这种情况下，DCL会失效。

三：了解了指令重排，有人会这样改

Will it work？

三：甚至这样改（事情将变的复杂）

fuck了，估计到这里，我们就会想，真是日了狗了，有必要嘛，一个单例搞这么复杂，搞飞机啊，哎。。。。。。

前面两种代码同样存在指令重排的问题。

DCL的另一个问题

上述DCL代码还存在另一个问题，并发编程的经验告诉我们：必须对同一个变量的所有读写同步，才能保证不读取到陈旧的数据，仅仅同步读或写是不够的。就是说一个线程调用单例方法生成单例后，另一个线程刚进入方法时仍然可能看到是null的，直到进入同步块才能看到那个对象，存在浪费。

顺着这个思路，难道就没有办法了吗？
在JDK5之前，答案：有更曲折的解决方案，使用ThreadLocal代替外层的null检查，当然效率较低。（感兴趣的可以自行google，这里不讨论）

庆幸的是，java一直在改进其内存模型
在JDK5及其之后，已经有办法稍微改下代码，使DCL可用。

how？

答案是在类变量上加入volatile关键词

but why ?

在JDK5之前，使用volatile往往不能得到正确的结果，JDK5对volatile的语义做了重大改变。
其中有两个比较关键：
1.禁止指令重排序
2.内存可见性
规则1可以确保外层null检查要么看到的是null，要么看到的是一个构造完整的对象，规则2可以解决之前浪费的问题。

综上所述，用DCL来实现单例并不是一种很好的方法，因为过于复杂，容易出错。更好的方式是使用之前说到的static holder方式，或者枚举单例。

枚举单例

业界非常推崇用此法实现单例，因为它的简单，以及如下好处：
好处：
1.线程安全；
2.不会因为序列化而产生新的实例(因为它自己实现了readResolve方法)；
3.防止反射攻击。(因为enum实际上是abstract的)

http://segmentfault.com/q/1010000000646806

相关资料

关于volatile关键字：
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html

关于DCL：
http://www.iteye.com/topic/260515
http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html