设计模型之创建型模式之单例模式（Singleton）

定义：保证在一个JVM中，一个对象只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

应用：某些对象创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

优点：省去new操作符，可以降低系统内存的使用频率，减轻GC压力。

比如：有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

普通单例模式代码：

/* 懒汉式(线程不安全，调用效率不高，可以延迟加载) */public class Singleton implements Serializable {    private static final long serialVersionUID = 1L;    /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */    private static Singleton instance = null;    /* 私有构造方法，防止被实例化 */    private Singleton() throws Exception {    }    /* 静态工程方法，创建实例 */    public static Singleton getInstance() throws Exception {        if (instance == null) {            instance = new Singleton();        }        return instance;    }}

这个类虽然满足基本要求，但是存在几个问题：

• 如果该对象被用于序列化，不能保证对象在序列化前后一致
• 可以通过反射的方式违反单例创建多个对象
• 毫无线程安全可言，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了

专门用来搞破坏的代码：

public class SerializableDemo {    public static void main(String[] args) throws Exception {        SerializableDemo sd = new SerializableDemo();        sd.checkObject();        sd.createObject();    }    /**     * 为了便于理解，忽略关闭流，删除文件操作。真正编码时不要忘记。异常直接抛Exception<br>     * 查看序列化前后是否保持一致     */    private void checkObject() throws Exception {        // 对象写入文件        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("tempFile"));        oos.writeObject(Singleton.getInstance());        // 从文件读入对象        File file = new File("tempFile");        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));        Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();        // 判断序列化前后是否保持一致        System.out.println(newInstance == Singleton.getInstance());    }    /**     * 专门用来破坏单例模型     */    private void createObject() throws Exception {        Class<?> onwClass = Class.forName("com.itlwc2.patter.Singleton");        Constructor<?>[] cts = onwClass.getDeclaredConstructors();        cts[0].setAccessible(true);        //我多牛逼啊，你是私有我照样用反射可以创建        Singleton newInstance = (Singleton) cts[0].newInstance();        System.out.println(newInstance);    }}打印结果：falsecom.itlwc2.patter.Singleton@7e425258

为了解决上面问题，代码上做出一些改动。

• 增加readResolve方法。反序列化时通过反射的方式调用自定义的readResolve方法。
• 对私有构造器进行对象不为空判断，如果对象不为空，强行创建对象就抛出异常。使反射也不能破坏单例模式。
• 为工厂方法增加synchronized关键字修饰，使变成线程安全的。

修改后的代码为：

/* 懒汉式(线程安全，可以延迟加载) */public class Singleton implements Serializable {    private static final long serialVersionUID = 1L;    /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */    private static Singleton instance = null;    /* 私有构造方法，防止被实例化 */    private Singleton() {        /* 防止通过以反射的方式违反单例创建多个对象，采取抛出异常的方式 */        if (null != instance) {            try {                throw new Exception("Can't create another instance");            } catch (Exception e) {                e.printStackTrace();            }        }    }    /* 静态工程方法，创建实例 */    public static synchronized Singleton getInstance() {        if (instance == null) {            instance = new Singleton();        }        return instance;    }    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */    private Object readResolve() {        return instance;    }}

上面虽然解决了一些问题，但是synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以这个地方需要改进。我们改成下面这个：

/* 静态工程方法，创建实例 */public static Singleton getInstance() {    if (instance == null) {        //synchronized不能锁null        synchronized (Singleton.class) {            if (instance == null) {                instance = new Singleton();            }        }    }    return instance;}

似乎解决了性能问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的。看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：
1.A、B线程同时进入了第一个if判断
2.A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();
3.由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。
4.B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。
5.此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。

这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

/* 静态内部类式（线程安全，调用效率高，可以延迟加载）*/public class Singleton implements Serializable {    private static final long serialVersionUID = 1L;    /* 私有构造方法，防止被实例化 */    private  Singleton() {    }    /* 单例工厂 */    private static class SingletonFactory {        private final static Singleton instance = new Singleton();    }    /* 获取单例对象 */    public static Singleton getInstance() {        return SingletonFactory.instance;    }    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */    public Object readResolve() {        return getInstance();    }}

其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：

/* 双重锁检测机制，懒汉式(线程安全，可以延迟加载) */public class Singleton implements Serializable {    private static final long serialVersionUID = 1L;    /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加  */    private static Singleton instance = null;    /* 私有构造方法，防止被实例化 */    private Singleton() {    }    /* 我是专门设计出来让锁的 */    private static synchronized void syncInit() {        if (instance == null) {            instance = new Singleton();        }    }    public static Singleton getInstance() {        if (instance == null) {            syncInit();        }        return instance;    }    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致*/    private Object readResolve() {        return instance;    }}

通过单例模式的学习告诉我们：

• 单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。
• synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象以及整个过程都需要锁）。