Android开发中单例模式写法与可能遇到的坑

**转载自：http://blog.csdn.net/chenkai19920410/article/details/54612505#comments**

　　年底了，手上的活不是很多，就想着将平时记录的笔记总结一下。准备总结一下平时常常使用的设计模式。本篇就是比较常用的单例（Singleton）模式。
　　不管是Android开发还是Java开发，相信单例模式都是用的比较多的，平时再用的时候有没有想过，到底有多少种写法，或者有么有什么坑没有踩呢？带着这些问题我们先来了解一下什么情况下会用到单例模式。
　　一般在希望系统中特定类只存在一个实例时，就可以使用单例模式。也就是说使用单例模式，最关心的是对象创建的次数，以及对象创建的时机。它的UML图也是非常的简单：

　　　　　　　　　　

　　结构很简单，但是我们再使用时，还是想要有一些要求的：
　　1.在调用getInstance()方法时返回一个且唯一的Singleton对象。
　　2.能够在多线程使用时也能保证获取的Singleton对象唯一
　　3.getInstance()方法的性能要保证
　　4.能在需要的时候才初始化，否则不用初始化
　　
　　现在就来按照上边的要求来实现吧。
　　
　　写法一 饿汉式
　　

/** * 饿汉式 * 基于ClassLoader的机制，在同一classLoader下，该方式可以解决多线程同步的问题， * 但是该种单例模式没有办法实现懒加载 */public class SingletonHungry {    /**     * 在ClassLoader加载该类时，就会初始化mInstance     */    private static SingletonHungry mInstance = new SingletonHungry();    private SingletonHungry() {    }    public static SingletonHungry getInstance() {        return mInstance;    } }

　　以上就是饿汉式的写法，满足了上边说的第1，2条要求。该模式有几点要注意：
　　1.默认构造方法需要私有化，不然外部可以随时的构造方法，这样就没法保证单例了。
　　2.SingletonHungry 类型的静态变量mInstance也是私有化的。这样外部就不能直接获取到mInstance，并且正是由于mInstance是静态变量并且声明时就初始化了，我们知道根据java虚拟机和ClassLoader的特性，一个类在一个ClassLoader中只会被加载一次。并且这里的mInstance在加载时就已经初始化了，这可以确定对象的唯一性。也就是说保证了在多线程并发情况下获取到的对象是唯一的。
　　当然该种方式肯定也是有缺点的，就是不能满足上边要求中的第三点，例如某类实例需求依赖在运行时的参数来生成，那么由于饿汉式在类加载时就已经初始化了，所以无法满足懒加载。那我们就来看看懒加载的写法。

　　* 写法二 懒加载（非线程安全）*
　　

/** * 懒汉式 * 只有在getInstance（）时才会初始化mInstance * Created by chuck on 17/1/18. */public class SingletonLazy {    private static SingletonLazy mInstance;    private SingletonLazy() {    }    public static SingletonLazy getInstanceUnLocked() {        if (mInstance == null) {//line1            mInstance = new SingletonLazy();//line2        }        return mInstance;    }}

　　可以看出确实是在调用getInstanceUnLocked()方法时，才会初始化实例，实现了懒加载。但是在能否满足在多线程下正常工作呢？我们在这里先分析一下假设有两个线程ThreadA和ThreadB：
　　ThreadA首先执行到line1，这时mInstance为null，ThreadA将接着执行new SingletonLazy();在这个过程中如果mInstance已经分配了内存地址，但是还没有完成初始化工作（问题就出在这儿，稍后分析），如果ThreadB执行了line1，因为mInstance已经指向了某一内存，所以将跳过new SingletonLazy()直接得到mInstance，但是此时mInstance还没有完成初始化，那么问题就出现了。造成这个问题的原因就是new SingletonLazy()这个操作不是原子操作。至少可以分解成以下上个原子操作：
　　1.分配内存空间
　　2.初始化对象
　　3.将对象指向分配好的地址空间（执行完之后就不再是null了）
　　
　　其中第2，3步在一些编译器中为了优化单线程中的执行性能是可以重排的。重排之后就是这样的：
　　1.分配内存空间
　　3.将对象指向分配好的地址空间（执行完之后就不再是null了）
　　2.初始化对象
　　重排之后就有可能出现上边分析的情况：

　　　

　　那么既然这个方式不能保证线程安全，那我们之间加上同步不就可以了吗？这确实也是一种方法

　　* 写法三 懒加载（线程安全）*
　　

/** * 懒汉式 * 只有在getInstance（）时才会初始化mInstance * Created by chuck on 17/1/18. */public class SingletonLazy {    private static SingletonLazy mInstance;    private SingletonLazy() {    }/** * 方法名多了Locked表示是线程安全的，没有其他意义 */    public synchronized static  SingletonLazy getInstanceLocked() {        if (mInstance == null) {            mInstance = new SingletonLazy();        }        return mInstance;    } }

　　这里和线程不安全的懒加载方式就是多了一个synchronized关键字，保证了线程安全，但是这又带来了另外一个问题，性能问题。如果，有多个线程会频繁调用getInstanceLocked()方法的话，可能会造成很大的性能损失。当然如果没有多线程频繁调用的话，就不存在多少性能损失了。那么为了解决这个问题，有人提出了我们非常熟悉的双重检查锁定（简称DCL）。

　　* 写法四 双重检查锁定（DCL）*
　　

/** * 双重检查锁定DCL * Created by chuck on 17/1/18. */public class SingletonLazy {    private static SingletonLazy mInstance;    private SingletonLazy() {    }    public static SingletonLazy getInstance() {        if (mInstance == null) {//第一次检查            synchronized (SingletonLazy.class) {//加锁                if (mInstance == null) {//第二次次检查                    mInstance = new SingletonLazy();//new 一个对象                }            }        }        return mInstance;    } }

　　在相当长的时间里，我以为这个完美的平衡了并发和性能的问题，但后来看多有文章介绍，这个方法也是有问题的，而这个问题和上边介绍过的重排问题一样。还是举ThreadA和ThreadB的例子：
　　当Thread经过第一次检查对象为null时，会接着去加锁，然后去执行new SingletonLazy()，上边已经分析过了，改步骤存在重排现象，如果发生重排，即mInstance分配了内存地址，但是很没有完成初始化工作，而此时ThreadB,刚好执行第一次检查（没有加锁），mInstance已经分配了地址空间，不再为null，那么ThreadB会获取到没有完成初始化的mInstance，这就出现了问题。当然方法还是有的，那就是volatile关键字（用法自己查吧）。在JDK1.5之后使用volatile关键字，将禁止上文中的三步操作重排，既然不会重排，也就不会出现问题了。
　　
　　

/** * 双重检查锁定DCL * Created by chuck on 17/1/18. */public class SingletonLazy {    private volatile static SingletonLazy mInstance;    private SingletonLazy() {    }    public static SingletonLazy getInstance() {        if (mInstance == null) {//第一次检查            synchronized (SingletonLazy.class) {//加锁                if (mInstance == null) {//第二次次检查                    mInstance = new SingletonLazy();//new 一个对象                }            }        }        return mInstance;    } }

　　问题是解决了，但是volatile要在JDK1.5以上版本（JDK1.5之前的可以参考http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-dcl.html）才能起作用，其还会屏蔽jvm做的代码优化，这些有可能导致程序性能降低，并且目前为止DCL已经有一些复杂了。有没有更简单的方法呢？答案是有的

　　* 写法五 静态内部类*
　　

/** * 静态内部类方式实际上是结合了饿汉式和懒汉式的优点的一种方式 * Created by chuck on 17/1/18. */public class SingletonInner {    private SingletonInner() {    }    /**     * 在调用getInstance()方法时才会去初始化mInstance     * 实现了懒加载     *     * @return     */    public static SingletonInner getInstance() {        return SingletonInnerHolder.mInstance;    }    /**     * 静态内部类     * 因为一个ClassLoader下同一个类只会加载一次，保证了并发时不会得到不同的对象     */    public static class SingletonInnerHolder {        public static SingletonInner mInstance = new SingletonInner();    }}

　　这是一个很聪明的方式，结合了结合了饿汉式和懒汉式的优点，并且也不影响性能。为什么这么说？因为我们在单例类SingletonInner类中，实现了一个static的内部类SingletonInnerHolder，该类中定义了一个static的SingletonInner类型的变量mInstance，并且会在classLoader第一次加载SingletonInnerHolder这个类时进行初始化。这样做的好处是在classLoader在加载单例类SingletonInner时不会初始化mInstance。只有在第一次调用SingletonInner的getInstance()方法时，classLoader才会去加载SingletonInnerHolder，并初始化mInstance，并且由于ClassLoader的机制，一个ClassLoader同一个类，只加载一次，那么不管多少线程，得到的也是同一个类，保证了并发下是该方式是可用的。其缺点也是有的，有些语言不支持这种语法。
　　接下来在介绍一种很简单的方式：
　　
　　写法六 枚举
　　

/** * Created by chuck on 17/1/18. */public enum SingletonEnum {    SINGLETON_ENUM;    private SingletonEnum() {    }    }

　　就是这么的简单，改方式不仅能避免多线程并发同步的问题，而且还天生支持序列化，可以防止在反序列化时创建新的对象。是一种比较推荐的方式，在java中需要在JDK1.5以上才支持enum。
　　总结：单例模式还有其他的实现方法，熟悉Android的同学都知道，Handler机制中用到的ThreadLocal其实就使用了一种单例，就是在处理并发时，保证每一个线程都有一个单例实现。在上述介绍的各种方式中，没有哪一个是绝对最好的，需要结合各自的情况决定。例如一般不要求懒加载的话，可以使用写法一饿汉式，如果要求懒加载，如果明确需要懒加载的，再根据是否需要线程安全考虑选择写法二，三。如果单例类需要反序列化，那么可以使用写法六枚举。总之，需要结合自己的实际情况来看。最后，再来看看几个问题：
　　第一 、多ClassLoder情况，如果是多个ClassLoder都加载了单例类，那么就会出现多个同名的对象，这违背了单例模式的原则。解决这个问题，就要保证只有一个ClassLoder加载单例类。
　　第二、单例类序列化问题，只要保证反序列化时，得到同一个对象就可以了，通过重写readResolve()方法可以实现。
　　

public class Singleton implements java.io.Serializable {     ...    private Object readResolve() {                 return mInstance;        }    }  

　　本文练习的项目地址https://github.com/hgchenkai/DesignPattern 有时间都亲手敲一下。