设计模式之单例模式

关于设计模式的学习笔记，教材：《设计模式的艺术之道》 刘伟 著

class TaskManager{    private static TaskManager tm=null;    private TaskManager(){    //大量初始化工作     }    public static TaskManager getInstance(){        if(tm==null){            tm=new TaskManager();        }        return tm;    }}

一般的单例模式：

1. 将构造函数私有
2. 定义静态的TaskManager类型私有成员变量tm
3. 增加一个公有的静态方法，返回tm

但这样会出现问题。
比如当多次调用getInstance()方法,而new TaskManager()时因为大量初始化工作需要消耗不少时间时，由于tm尚未创建成功，于是其他调用的getInstance()方法中，tm仍为null，可能会导致创建了多个tm对象。违背了单例模式的初衷。

一开始人们想到两种解决方法：
1.Eager Singleton
在类加载的时候就已经创建单例对象

class TaskManager{    private static final TaskManager tm=new TaskManager();    //其余同上}

2.Lazy Singleton
在类加载时并不实例化，而是在需要时再加载，这种技术又称为Lazy Load（延迟加载技术）。为了避免多个线程同时调用getInstance（）方法，在Java中使用关键字synchronized

 class TaskManager{    synchronized public static TaskManger getInstance(){        if(tm==null){            tm=new TaskManager();        }        return tm;    }}

通过增加关键字synchronized进行线程锁定，以处理多个线程同时访问的问题。但是在多线程高并发访问环境下，会导致系统性能大大降低。比如当tm已经创建，而同时调用多次getInstance(),实际上不会并发执行，实际上只需直接return，但要排队。
于是有了这个改进：

 class TaskManager{    public static TaskManger getInstance(){        if(tm==null){            synchronized (TaskManager.class){                tm=new TaskManager();            }        }        return tm;    }}

似乎问题解决了，但是如果在某一瞬间，线程A和B都在调用getInstance()，此时均能通过tm==null的判断，那么依然new了两次。因此需要进一步改进。在synchronized 锁定代码中再进行一次tm==null的判断，这称为Double-Check Locking。

 class TaskManager{    private volatile static final TaskManager tm=null;    public static TaskManger getInstance(){        if(tm==null){            synchronized (TaskManager.class){                if(tm==null){                    tm=new TaskManager();                }            }        }        return tm;    }}

一开始我有个疑惑，外面的if(tm==null)是否可以忽略？但仔细一想，如果忽略，那就跟最开始把整个方法都synchronized 差不多了。
这种Double-Check Locking需要在静态成员变量tm添加修饰符volatile，被volatile修饰的成员变量可以确保多个线程都能正确处理。（jdk1.5以上）但是由于volatile关键字会屏蔽Java虚拟机所做的一些代码优化，可能会导致系统运行效率降低，因此即使使用Double-Check Locking依然不好。

比较两种方法
Eager无须考虑多线程访问时的问题，而且因为一开始就实例化好，所以调用速度和反应时间由于Lazy。但是无论系统在运行时是否需要使用该单例对象，在类加载时都创建好了，就会消耗更多系统资源，而且加载时间可能会比较长。

关于类的加载：http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17881581

而Lazy无须一直占用系统资源，但是必须处理好多线程同时访问问题，多线程同时首次引用此类时需要双重检查锁定等机制进行控制，将导致系统性能受到影响。

一种更好的方法

 class TaskManager{    private TaskManager(){}    private static class HolderClass{        private static final TaskManager tm=new TaskManager();    }    public static TaskManger getInstance(){        return HolderClass.tm;    }}

类加载时没有实例化TaskManager，而第一次调用getInstance()时加载内部类，初始化其成员变量tm，由Java虚拟机来保证其线程安全性，确保该成员变量只能初始化一次。
这种方法叫Initialization on Deman Holder技术。
通过IoDH，既可以实现Lazy Load，减少系统资源消耗，又保证线程安全，不影响系统性能。缺点是与编程语言本身的特性相关，很多面向对象语言不支持IoDH。

单例模式的优缺点
优点

1. 提供了对唯一实例的受控访问
2. 节约系统资源
3. 允许可变数目的实例

缺点

1. 没有抽象层，类的拓展有很大困难
2. 职责过重，即提供业务方法，又提供了创建对象的方法，即既有对象的创建，也有对象的使用
3. 很多语言如Java、C#的运行环境都提供了自动垃圾回收技术，因此，如果实例化的单例对象长时间不被使用，系统会认为是垃圾，自动销毁并回收。下次使用时重新实例化，这将导致共享的实力对象状态丢失。

适用场景

1. 系统只需要一个实例对象
2. 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点。