005.單例模式

@(架構之路之設計模式代碼)

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作爲對象的創建模式，單例模式確保某一個類只有一個實例，而且自行實例化並向整個系統提供這個實例。這個類稱爲單例類。

單例模式的結構

單例模式的特點：

單例類只能有一個實例。
單例類必須自己創建自己的唯一實例。
單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

餓漢式單例類

   public class EagerSingleton {
    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
    /**
     * 私有默認構造子
     */
    private EagerSingleton(){}
    /**
     * 靜態工廠方法
     */
    public static EagerSingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

上面的例子中，在這個類被加載時，靜態變量instance會被初始化，此時類的私有構造子會被調用。這時候，單例類的唯一實例就被創建出來了。

餓漢式其實是一種比較形象的稱謂。既然餓，那麼在創建對象實例的時候就比較着急，餓了嘛，於是在裝載類的時候就創建對象實例。

private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

餓漢式是典型的空間換時間，當類裝載的時候就會創建類的實例，不管你用不用，先創建出來，然後每次調用的時候，就不需要再判斷，節省了運行時間。

懶漢式單例類

   public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance = null;
    /**
     * 私有默認構造子
     */
    private LazySingleton(){}
    /**
     * 靜態工廠方法
     */
    public static synchronized LazySingleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

上面的懶漢式單例類實現裏對靜態工廠方法使用了同步化，以處理多線程環境。
懶漢式其實是一種比較形象的稱謂。既然懶，那麼在創建對象實例的時候就不着急。會一直等到馬上要使用對象實例的時候纔會創建，懶人嘛，總是推脫不開的時候纔會真正去執行工作，因此在裝載對象的時候不創建對象實例。

    private static LazySingleton instance = null;

懶漢式是典型的時間換空間,就是每次獲取實例都會進行判斷，看是否需要創建實例，浪費判斷的時間。當然，如果一直沒有人使用的話，那就不會創建實例，則節約內存空間

由於懶漢式的實現是線程安全的，這樣會降低整個訪問的速度，而且每次都要判斷。那麼有沒有更好的方式實現呢？

雙重檢查加鎖

可以使用“雙重檢查加鎖”的方式來實現，就可以既實現線程安全，又能夠使性能不受很大的影響。那麼什麼是“雙重檢查加鎖”機制呢？

所謂“雙重檢查加鎖”機制，指的是：並不是每次進入getInstance方法都需要同步，而是先不同步，進入方法後，先檢查實例是否存在，如果不存在才進行下面的同步塊，這是第一重檢查，進入同步塊過後，再次檢查實例是否存在，如果不存在，就在同步的情況下創建一個實例，這是第二重檢查。這樣一來，就只需要同步一次了，從而減少了多次在同步情況下進行判斷所浪費的時間。

“雙重檢查加鎖”機制的實現會使用關鍵字volatile，它的意思是：被volatile修飾的變量的值，將不會被本地線程緩存，所有對該變量的讀寫都是直接操作共享內存，從而確保多個線程能正確的處理該變量。

注意：在java1.4及以前版本中，很多JVM對於volatile關鍵字的實現的問題，會導致“雙重檢查加鎖”的失敗，因此“雙重檢查加鎖”機制只只能用在java5及以上的版本。

   public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        //先檢查實例是否存在，如果不存在才進入下面的同步塊
        if(instance == null){
            //同步塊，線程安全的創建實例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次檢查實例是否存在，如果不存在才真正的創建實例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

這種實現方式既可以實現線程安全地創建實例，而又不會對性能造成太大的影響。它只是第一次創建實例的時候同步，以後就不需要同步了，從而加快了運行速度。

提示：由於volatile關鍵字可能會屏蔽掉虛擬機中一些必要的代碼優化，所以運行效率並不是很高。因此一般建議，沒有特別的需要，不要使用。也就是說，雖然可以使用“雙重檢查加鎖”機制來實現線程安全的單例，但並不建議大量採用，可以根據情況來選用。

根據上面的分析，常見的兩種單例實現方式都存在小小的缺陷，那麼有沒有一種方案，既能實現延遲加載，又能實現線程安全呢？

Lazy initialization holder class模式

這個模式綜合使用了Java的類級內部類和多線程缺省同步鎖的知識，很巧妙地同時實現了延遲加載和線程安全。

1.相應的基礎知識

什麼是類級內部類？
簡單點說，類級內部類指的是，有static修飾的成員式內部類。如果沒有static修飾的成員式內部類被稱爲對象級內部類。
類級內部類相當於其外部類的static成分，它的對象與外部類對象間不存在依賴關係，因此可直接創建。而對象級內部類的實例，是綁定在外部對象實例中的。
類級內部類中，可以定義靜態的方法。在靜態方法中只能夠引用外部類中的靜態成員方法或者成員變量。
類級內部類相當於其外部類的成員，只有在第一次被使用的時候才被會裝載。
多線程缺省同步鎖的知識
大家都知道，在多線程開發中，爲了解決併發問題，主要是通過使用synchronized來加互斥鎖進行同步控制。但是在某些情況中，JVM已經隱含地爲您執行了同步，這些情況下就不用自己再來進行同步控制了。這些情況包括：

由靜態初始化器（在靜態字段上或static{}塊中的初始化器）初始化數據時
訪問final字段時
在創建線程之前創建對象時
線程可以看見它將要處理的對象時

2.解決方案的思路

要想很簡單地實現線程安全，可以採用靜態初始化器的方式，它可以由JVM來保證線程的安全性。比如前面的餓漢式實現方式。但是這樣一來，不是會浪費一定的空間嗎？因爲這種實現方式，會在類裝載的時候就初始化對象，不管你需不需要。

如果現在有一種方法能夠讓類裝載的時候不去初始化對象，那不就解決問題了？一種可行的方式就是採用類級內部類，在這個類級內部類裏面去創建對象實例。這樣一來，只要不使用到這個類級內部類，那就不會創建對象實例，從而同時實現延遲加載和線程安全。

示例代碼如下：

public class Singleton {
    
    private Singleton(){}
    /**
     *    類級的內部類，也就是靜態的成員式內部類，該內部類的實例與外部類的實例
     *    沒有綁定關係，而且只有被調用到時纔會裝載，從而實現了延遲加載。
     */
    private static class SingletonHolder{
        /**
         * 靜態初始化器，由JVM來保證線程安全
         */
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
    
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

當getInstance方法第一次被調用的時候，它第一次讀取SingletonHolder.instance，導致SingletonHolder類得到初始化；而這個類在裝載並被初始化的時候，會初始化它的靜態域，從而創建Singleton的實例，由於是靜態的域，因此只會在虛擬機裝載類的時候初始化一次，並由虛擬機來保證它的線程安全性。

這個模式的優勢在於，getInstance方法並沒有被同步，並且只是執行一個域的訪問，因此延遲初始化並沒有增加任何訪問成本。

單例和枚舉

按照《高效Java 第二版》中的說法：單元素的枚舉類型已經成爲實現Singleton的最佳方法。用枚舉來實現單例非常簡單，只需要編寫一個包含單個元素的枚舉類型即可。

public enum Singleton {
    /**
     * 定義一個枚舉的元素，它就代表了Singleton的一個實例。
     */
    
    uniqueInstance;
    
    /**
     * 單例可以有自己的操作
     */
    public void singletonOperation(){
        //功能處理
    }
}

使用枚舉來實現單實例控制會更加簡潔，而且無償地提供了序列化機制，並由JVM從根本上提供保障，絕對防止多次實例化，是更簡潔、高效、安全的實現單例的方式。

005.單例模式