单例模式学习及几种不同写法

单例模式是设计模式中最简单的形式之一。这一模式的目的是使得类的一个对象成为系统中的唯一实例。要实现这一点，可以从客户端对其进行实例化开始。因此需要用一种只允许生成对象类的唯一实例的机制，“阻止”所有想要生成对象的访问。使用工厂方法来限制实例化过程。这个方法应该是静态方法（类方法），因为让类的实例去生成另一个唯一实例毫无意义。

显然单例模式的要点有三个；一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

从具体实现角度来说，就是以下三点：一是单例模式的类只提供私有的构造函数，二是类定义中含有一个该类的静态私有对象，三是该类提供了一个静态的公有的函数用于创建或获取它本身的静态私有对象。

优点

一、实例控制

单例模式会阻止其他对象实例化其自己的单例对象的副本，从而确保所有对象都访问唯一实例。

二、灵活性

因为类控制了实例化过程，所以类可以灵活更改实例化过程。

缺点

一、开销

虽然数量很少，但如果每次对象请求引用时都要检查是否存在类的实例，将仍然需要一些开销。可以通过使用静态初始化解决此问题。

二、可能的开发混淆

使用单例对象（尤其在类库中定义的对象）时，开发人员必须记住自己不能使用new关键字实例化对象。因为可能无法访问库源代码，因此应用程序开发人员可能会意外发现自己无法直接实例化此类。

三、对象生存期

不能解决删除单个对象的问题。在提供内存管理的语言中（例如基于.NET Framework的语言），只有单例类能够导致实例被取消分配，因为它包含对该实例的私有引用。在某些语言中（如 C++），其他类可以删除对象实例，但这样会导致单例类中出现悬浮引用。

第一种（懒汉，线程不安全）：

 

Java代码  

1. public class Singleton {  
2.     private static Singleton instance;  
3.     private Singleton (){}  
4.   
5.     public static Singleton getInstance() {  
6.     if (instance == null) {  
7.         instance = new Singleton();  
8.     }  
9.     return instance;  
10.     }  
11. }  

 

 这种写法lazy loading很明显，但是致命的是在多线程不能正常工作。

第二种（懒汉，线程安全）：

 

Java代码  

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

 

 这种写法能够在多线程中很好的工作，而且看起来它也具备很好的lazy loading，但是，遗憾的是，效率很低，99%情况下不需要同步。

第三种（饿汉）：

 

Java代码  

1. public class Singleton {  
2.     private static Singleton instance = new Singleton();  
3.     private Singleton (){}  
4.     public static Singleton getInstance() {  
5.     return instance;  
6.     }  
7. }  

 

 这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化instance显然没有达到lazy loading的效果。

第四种（饿汉，变种）：

 

Java代码  

1. public class Singleton {  
2.     private Singleton instance = null;  
3.     static {  
4.     instance = new Singleton();  
5.     }  
6.     private Singleton (){}  
7.     public static Singleton getInstance() {  
8.     return this.instance;  
9.     }  
10. }  

 

 表面上看起来差别挺大，其实更第三种方式差不多，都是在类初始化即实例化instance。

第五种（静态内部类）：

 

Java代码  

1. public class Singleton {  
2.     private static class SingletonHolder {  
3.     private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
4.     }  
5.     private Singleton (){}  
6.     public static final Singleton getInstance() {  
7.     return SingletonHolder.INSTANCE;  
8.     }  
9. }  

 

这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟第三种和第四种方式不同的是（很细微的差别）：第三种和第四种方式是只要Singleton类被装载了，那么instance就会被实例化（没有达到lazy loading效果），而这种方式是Singleton类被装载了，instance不一定被初始化。因为SingletonHolder类没有被主动使用，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显示装载SingletonHolder类，从而实例化instance。想象一下，如果实例化instance很消耗资源，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化instance显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第三和第四种方式就显得很合理。

第六种（枚举）：

 

Java代码  

1. public enum Singleton {  
2.     INSTANCE;  
3.     public void whateverMethod() {  
4.     }  
5. }  

 

 这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象，可谓是很坚强的壁垒啊，不过，个人认为由于1.5中才加入enum特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，我也很少看见有人这么写过。

第七种（双重校验锁）：

Java代码  

1. public class Singleton {  
2.     private volatile static Singleton singleton;  
3.     private Singleton (){}  
4.     public static Singleton getSingleton() {  
5.     if (singleton == null) {  
6.         synchronized (Singleton.class) {  
7.         if (singleton == null) {  
8.             singleton = new Singleton();  
9.         }  
10.         }  
11.     }  
12.     return singleton;  
13.     }  
14. }  

 

 这个是第二种方式的升级版，俗称双重检查锁定，详细介绍请查看：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-dcl.html

在JDK1.5之后，双重检查锁定才能够正常达到单例效果。

 

总结

有两个问题需要注意：

1.如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取，例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类装载器，这样的话如果有两个servlet访问一个单例类，它们就都会有各自的实例。

2.如果Singleton实现了java.io.Serializable接口，那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样，如果你序列化一个单例类的对象，接下来复原多个那个对象，那你就会有多个单例类的实例。

对第一个问题修复的办法是：

 

Java代码  

1. private static Class getClass(String classname)      
2.                                          throws ClassNotFoundException {     
3.       ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();     
4.       
5.       if(classLoader == null)     
6.          classLoader = Singleton.class.getClassLoader();     
7.       
8.       return (classLoader.loadClass(classname));     
9.    }     
10. }  

 对第二个问题修复的办法是：

 

Java代码  

1. public class Singleton implements java.io.Serializable {     
2.    public static Singleton INSTANCE = new Singleton();     
3.       
4.    protected Singleton() {     
5.         
6.    }     
7.    private Object readResolve() {     
8.             return INSTANCE;     
9.       }    
10. }   

 

对我来说，我比较喜欢第三种和第五种方式，简单易懂，而且在JVM层实现了线程安全（如果不是多个类加载器环境），一般的情况下，我会使用第三种方式，只有在要明确实现lazy loading效果时才会使用第五种方式，另外，如果涉及到反序列化创建对象时我会试着使用枚举的方式来实现单例，不过，我一直会保证我的程序是线程安全的，而且我永远不会使用第一种和第二种方式，如果有其他特殊的需求，我可能会使用第七种方式，毕竟，JDK1.5已经没有双重检查锁定的问题了。