java单例模式

　　关于单例模式的文章，其实网上早就已经泛滥了。但一个小小的单例，里面却是有着许多的变化。网上的文章大多也是提到了其中的一个或几个点，很少有比较全面且脉络清晰的文章，于是，我便萌生了写这篇文章的念头。企图把这个单例说透，说深入。但愿我不会做的太差。

　　首先来看一个典型的实现：

 1 /** 2  * 基础的单例模式，Lazy模式，非线程安全 3  * 优点：lazy，初次使用时实例化单例，避免资源浪费 4  * 缺点：1、lazy，如果实例初始化非常耗时，初始使用时，可能造成性能问题 5  * 2、非线程安全。多线程下可能会有多个实例被初始化。 6  *  7  * @author laichendong 8  * @since 2011-12-5 9  */10 public class SingletonOne {11     12     /** 单例实例变量 */13     private static SingletonOne instance = null;14     15     /**16      * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。17*/18     private SingletonOne() {19         20     }21     22     /**23      * 获取单例对象实例24      * 25      * @return 单例对象26*/27     public static SingletonOne getInstance() {28         if (instance == null) { // 129             instance = new SingletonOne(); // 230         }31         return instance;32     }33     34 }

　　注释中已经有简单的分析了。接下来分析一下关于“非线程安全”的部分。

　　1、当线程A进入到第28行（#1）时，检查instance是否为空，此时是空的。
　　2、此时，线程B也进入到28行（#1）。切换到线程B执行。同样检查instance为空，于是往下执行29行（#2），创建了一个实例。接着返回了。
　　3、在切换回线程A，由于之前检查到instance为空。所以也会执行29行（#2）创建实例。返回。
　　4、至此，已经有两个实例被创建了，这不是我们所希望的。 

 怎么解决线程安全问题？

　　方法一：同步方法。即在getInstance()方法上加上synchronized关键字。这时单例变成了　　

 1 /** 2  * copyright © sf-express Inc 3  */ 4 package com.something.singleton; 5  6 /** 7  * 同步方法 的单例模式，Lazy模式，线程安全 8  * 优点： 9  * 1、lazy，初次使用时实例化单例，避免资源浪费10  * 2、线程安全11  * 缺点：12  * 1、lazy，如果实例初始化非常耗时，初始使用时，可能造成性能问题13  * 2、每次调用getInstance()都要获得同步锁，性能消耗。14  * 15  * @author laichendong16  * @since 2011-12-517  */18 public class SingletonTwo {19     20     /** 单例实例变量 */21     private static SingletonTwo instance = null;22     23     /**24      * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。25 */26     private SingletonTwo() {27         28     }29     30     /**31      * 获取单例对象实例32      * 同步方法，实现线程互斥访问，保证线程安全。33      * 34      * @return 单例对象35 */36     public static synchronized SingletonTwo getInstance() {37         if (instance == null) { // 138             instance = new SingletonTwo(); // 239         }40         return instance;41     }42     43 }

 

　　加上synchronized后确实实现了线程的互斥访问getInstance()方法。从而保证了线程安全。但是这样就完美了么？我们看。其实在典型实现里，会导致问题的只是当instance还没有被实例化的时候，多个线程访问#1的代码才会导致问题。而当instance已经实例化完成后。每次调用getInstance()，其实都是直接返回的。即使是多个线程访问，也不会出问题。但给方法加上synchronized后。所有getInstance()的调用都要同步了。其实我们只是在第一次调用的时候要同步。而同步需要消耗性能。这就是问题。

　　方法二：双重检查加锁Double-checked locking。
　　其实经过分析发现，我们只要保证 instance =new SingletonOne(); 是线程互斥访问的就可以保证线程安全了。那把同步方法加以改造，只用synchronized块包裹这一句。就得到了下面的代码：

1     public static SingletonThree getInstance() {2         if (instance == null) { // 13             synchronized (SingletonThree.class) {4                 instance = new SingletonThree(); // 25             }6         }7         return instance;8     }

 

　　这个方法可行么？分析一下发现是不行的！
　　1、线程A和线程B同时进入//1的位置。这时instance是为空的。
　　2、线程A进入synchronized块，创建实例，线程B等待。
　　3、线程A返回，线程B继续进入synchronized块，创建实例。。。
　　4、这时已经有两个实例创建了。 

　　为了解决这个问题。我们需要在//2的之前，再加上一次检查instance是否被实例化。（双重检查加锁）接下来，代码变成了这样：

 1     public static SingletonThree getInstance() { 2         if (instance == null) { // 1 3             synchronized (SingletonThree.class) { 4                 if (instance == null) {  5                     instance = new SingletonThree(); // 2 6                 } 7             } 8         } 9         return instance;10     }

 

　　这样，当线程A返回，线程B进入synchronized块后，会先检查一下instance实例是否被创建，这时实例已经被线程A创建过了。所以线程B不会再创建实例，而是直接返回。貌似！到此为止，这个问题已经被我们完美的解决了。遗憾的是，事实完全不是这样！这个方法在单核和 多核的cpu下都不能保证很好的工作。导致这个方法失败的原因是当前java平台的内存模型。java平台内存模型中有一个叫“无序写”（out-of-order writes）的机制。正是这个机制导致了双重检查加锁方法的失效。这个问题的关键在上面代码上的第5行：instance = new SingletonThree(); 这行其实做了两个事情：1、调用构造方法，创建了一个实例。2、把这个实例赋值给instance这个实例变量。可问题就是，这两步jvm是不保证顺序的。也就是说。可能在调用构造方法之前，instance已经被设置为非空了。下面我们看一下出问题的过程：
　　1、线程A进入getInstance()方法。
　　2、因为此时instance为空，所以线程A进入synchronized块。
　　3、线程A执行 instance = new SingletonThree(); 把实例变量instance设置成了非空。（注意，实在调用构造方法之前。）
　　4、线程A退出，线程B进入。
　　5、线程B检查instance是否为空，此时不为空（第三步的时候被线程A设置成了非空）。线程B返回instance的引用。（问题出现了，这时instance的引用并不是SingletonThree的实例，因为没有调用构造方法。） 
　　6、线程B退出，线程A进入。
　　7、线程A继续调用构造方法，完成instance的初始化，再返回。 

　　好吧，继续努力，解决由“无序写”带来的问题。

 1     public static SingletonThree getInstance() { 2         if (instance == null) {  3             synchronized (SingletonThree.class) {           // 1 4                 SingletonThree temp = instance;             // 2 5                 if (temp == null) { 6                     synchronized (SingletonThree.class) {   // 3 7                         temp = new SingletonThree();        // 4 8                     } 9                     instance = temp;                        // 510                 }11             }12         }13         return instance;14     }

 

　　解释一下执行步骤。
　　1、线程A进入getInstance()方法。
　　2、因为instance是空的 ，所以线程A进入位置//1的第一个synchronized块。
　　3、线程A执行位置//2的代码，把instance赋值给本地变量temp。instance为空，所以temp也为空。 
　　4、因为temp为空，所以线程A进入位置//3的第二个synchronized块。
　　5、线程A执行位置//4的代码，把temp设置成非空，但还没有调用构造方法！（“无序写”问题） 
　　6、线程A阻塞，线程B进入getInstance()方法。
　　7、因为instance为空，所以线程B试图进入第一个synchronized块。但由于线程A已经在里面了。所以无法进入。线程B阻塞。
　　8、线程A激活，继续执行位置//4的代码。调用构造方法。生成实例。
　　9、将temp的实例引用赋值给instance。退出两个synchronized块。返回实例。
　　10、线程B激活，进入第一个synchronized块。
　　11、线程B执行位置//2的代码，把instance实例赋值给temp本地变量。
　　12、线程B判断本地变量temp不为空，所以跳过if块。返回instance实例。

　　好吧，问题终于解决了，线程安全了。但是我们的代码由最初的3行代码变成了现在的一大坨~。于是又有了下面的方法。

　　方法三：预先初始化static变量。

 1 /** 2  * 预先初始化static变量 的单例模式  非Lazy  线程安全 3  * 优点： 4  * 1、线程安全  5  * 缺点： 6  * 1、非懒加载，如果构造的单例很大，构造完又迟迟不使用，会导致资源浪费。 7  *  8  * @author laichendong 9  * @since 2011-12-510  */11 public class SingletonFour {12     13     /** 单例变量 ,static的，在类加载时进行初始化一次，保证线程安全 */14     private static SingletonFour instance = new SingletonFour();15     16     /**17      * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。18      */19     private SingletonFour() {20         21     }22     23     /**24      * 获取单例对象实例25      * 26      * @return 单例对象27      */28     public static SingletonFour getInstance() {29         return instance;30     }31     32 }

　　看到这个方法，世界又变得清净了。由于java的机制，static的成员变量只在类加载的时候初始化一次，且类加载是线程安全的。所以这个方法实现的单例是线程安全的。但是这个方法却牺牲了Lazy的特性。单例类加载的时候就实例化了。如注释所述：非懒加载，如果构造的单例很大，构造完又迟迟不使用，会导致资源浪费。

　　那到底有没有完美的办法？懒加载，线程安全，代码简单。

　　方法四：使用内部类。

 

 1 /** 2  * 基于内部类的单例模式  Lazy  线程安全 3  * 优点： 4  * 1、线程安全 5  * 2、lazy 6  * 缺点： 7  * 1、待发现 8  *  9  * @author laichendong10  * @since 2011-12-511  */12 public class SingletonFive {13     14     /**15      * 内部类，用于实现lzay机制16 */17     private static class SingletonHolder{18         /** 单例变量  */19         private static SingletonFive instance = new SingletonFive();20     }21     22     /**23      * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。24 */25     private SingletonFive() {26         27     }28     29     /**30      * 获取单例对象实例31      * 32      * @return 单例对象33 */34     public static SingletonFive getInstance() {35         return SingletonHolder.instance;36     }37     38 }

　　解释一下，因为java机制规定，内部类SingletonHolder只有在getInstance()方法第一次调用的时候才会被加载（实现了lazy），而且其加载过程是线程安全的（实现线程安全）。内部类加载的时候实例化一次instance。

 

　　最后，总结一下：
　　1、如果单例对象不大，允许非懒加载，可以使用方法三。
　　2、如果需要懒加载，且允许一部分性能损耗，可以使用方法一。（官方说目前高版本的synchronized已经比较快了）
　　3、如果需要懒加载，且不怕麻烦，可以使用方法二。
　　4、如果需要懒加载，没有且！推荐使用方法四。 

以上文章来自网上，算是总结的比较全面的一篇文章，

最后使用内部类，个人觉得也是有一个缺点的：使用内部类首先在编译之后，会生成两个对象，在程序运行时，需要在java虚拟机的栈区创建两个对象，而其余的所有方案只创建一个对象，从创建对象个数的角度，其上方案较好，因为创建两个对象将会消耗更多的存储资源和计算资源，所以本人推荐使用官方的方案。