Java实现单例模式

定义

单例模式，也叫单子模式，是一种常用的软件设计模式。在应用这个模式时，单例对象的类必须保证只有一个实例存在。许多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息。这种方式简化了在复杂环境下的配置管理^[1]。（来自wiki）

构建方式

通常我们有两种方式来构建单例。

懒汉方式：指全局的单例实例在第一次被使用时构建。

饿汉方式：指全局的单例实例在类加载时构建。

构建代码

懒汉式（线程不安全）

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

优点是容易理解，缺点是在多线程下可能会出现两个实例。

懒汉式（线程安全）

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

优点是线程安全，缺点是效率低下，每次获取单例实例的时候都需要加锁，而加锁是一个非常耗时的操作，在没有必要的时候我们应该尽量避免。

懒汉式（DCL:双重检验锁）

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

老外对这种写法的评价是：Clever, but broken
DCL理论上无懈可击，实际上，现实世界并不是这样的。DCL无法保证在单处理器还是多处理器的机器上正常工作。DCL失败的问题不在于JVMs的bug，而是当前Java平台的内存模型。内存模型允许”out-of-order writes”的存在，并且它是DCL失败的罪魁祸首^[2]。

out-of-order writes

整个问题的关键就出在 INSTANCE = new Singleton();
这句代码可以分解为下面三步：

mem = allocate();           //为Singleton对象的创建分配空间INSTANCE = mem;             //此时的INSTANCE已经不为null，但是它还没有被初始化ctorSingleton(instance);     //调用Singleton的构造函数

当执行到第二步时，内存已经分配了，INSTANCE引用也已指向新分配内存，而构造函数却还未执行。在此时，如果另一个线程来check INSTANCE时，会发现该INSTANCE已经不为null了，于是直接越过同步块，返回INSTANCE所引用的构造了一半的实例。这就是导致DCL失败的原因^[2]。

网络上面有些文章说可以通过 volatile 关键字修饰INSTANCE使得DCL可以正常工作，但我看国外的文章说 volatile 也会产生其他的问题^[2][3]。

饿汉式（static final）

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

静态内部类

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

由于静态内部类在第一次使用的时候才会被加载，所以它属于懒汉式的，又因为这个实现过程没有加锁，所以在性能上也能达到很好的效果，JVM保证了线程安全。

饿汉式（枚举）

public enum EasySingleton{    INSTANCE;}

参考文献

1.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%95%E4%BE%8B%E6%A8%A1%E5%BC%8F
2.http://www.ibm.com/developerworks/library/j-dcl/
3.http://www.javaworld.com/article/2074979/java-concurrency/double-checked-locking–clever–but-broken.html