設計模式:單例模式(精講)

設計模式之單例模式

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設計理念

在有些系統中，爲了節省內存資源、保證數據內容的一致性，對某些類要求只能創建一個實例，這就是所謂的單例模式。
單例模式，是23種設計模式中使用最廣泛的一種設計模式，同是也是最重要的設計模式之一。

定義

單例（Singleton）模式的定義：指一個類只有一個實例，且該類能自行創建這個實例的一種模式。例如，Windows 中只能打開一個任務管理器，這樣可以避免因打開多個任務管理器窗口而造成內存資源的浪費，或出現各個窗口顯示內容的不一致等錯誤。

在計算機系統中，還有 Windows 的回收站、操作系統中的文件系統、多線程中的線程池、顯卡的驅動程序對象、打印機的後臺處理服務、應用程序的日誌對象、數據庫的連接池、網站的計數器、Web 應用的配置對象、應用程序中的對話框、系統中的緩存等常常被設計成單例。

特點

單例模式有 3 個特點：

單例類只有一個實例對象；
該單例對象必須由單例類自行創建；
單例類對外提供一個訪問該單例的全局訪問點；

結構與實現

單例模式是設計模式中最簡單的模式之一。通常，普通類的構造函數是公有的，外部類可以通過“new 構造函數()”來生成多個實例。但是，如果將類的構造函數設爲私有的，外部類就無法調用該構造函數，也就無法生成多個實例。這時該類自身必須定義一個靜態私有實例，並向外提供一個靜態的公有函數用於創建或獲取該靜態私有實例。

結構

單例模式的主要角色如下。

單例類：包含一個實例且能自行創建這個實例的類。
訪問類：使用單例的類。

其結構如圖 1 所示。

實現

單例模式最常見的有6種實現方式，每種方式都有其特點，都值得大家去仔細推敲。

懶漢式，線程不安全

代碼實例：

package com.design.pattern.creationalPattern.singletonPattern;

public class Singleton {

    //Q:這裏可不可以去掉static?
    //A:不可以,因爲getInstance()方法是靜態方法，
    //不可以在靜態方法裏調用非靜態變量
    private static Singleton instance;

    private Singleton(){
        //構造器私有化,防止外部訪問,通過new Singleton()方式創建對象
    }

    /**
     * Q:如果多個線程同時訪問，會怎樣?
     * A:嚴格意義上，這種方式不能算真正意義上的單例。
     *   當線程併發，線程上下文切換時，
     *   假設 有線程一和線程二。
     *   線程一 通過 if(instance == null )後,
     *   在 nstance = new Singleton(); 被掛起
     *   線程二 正常執行完了整個getInstance()後，
     *   線程一獲得線程使用權。
     *   這時候線程一拿到的instance實例,就不是之前的實例對象了。
     * */
    public static Singleton getInstance(){

        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }


}

對於它線程不安全的情況，我們做個試驗來驗證。

package com.design.pattern.creationalPattern.singletonPattern;


public class UnSafeSingletonTest {

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
                System.out.println(instance1);

            }
        });
        thread1.start();
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Singleton instance2 = Singleton.getInstance();//在這裏打上debug斷點,當斷點到達這個位置時，在Singleton#getInstance()方法中instance = new Singleton(),打上斷點
                System.out.println(instance2);

            }
        });
        thread2.start();


    }
}

模擬線程上下文切換，這裏我模擬休眠線程，將斷點位置先打到了Singleton 類的instance = new Singleton()位置。

當線程一過來的時候，直接放開斷點，可以看到線程1和線程2同時到達，如圖一。
當線程二過來的時候，在debug watches裏讓線程二休眠2毫秒，模擬線程上下文切換場景。如圖二
再放開斷點，可以明顯的看到線程一和線程二都去創建了實例對象，並且線程一現在持有的引用是線程二創建的對象地址。這時候，線程一再去使用instance就可能出現問題，得到結果如下：

SingletonThread2 SingletonThread1
com.design.pattern.creationalPattern.singletonPattern.Singleton@17ceefc4
com.design.pattern.creationalPattern.singletonPattern.Singleton@1d4331b

懶漢式，線程安全

package com.design.pattern.creationalPattern.singletonPattern;

public class Singleton {

    //Q:這裏可不可以去掉static?
    //A:不可以,因爲getInstance()方法是靜態方法，不可以在靜態方法裏調用非靜態變量
    private static Singleton instance;

    private Singleton(){
        //構造器私有化,防止外部訪問,通過new Singleton()方式創建對象
    }

    /**
     * synchronized 關鍵字可以保證方法或者代碼塊在運行時，同一時刻只有一        個方法可以進入到臨界區，同時它還可以保證共享變量的內存可見性
     * */
    public synchronized static Singleton getInstance(){

        if (instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }


}

這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率低，99% 情況下不需要同步。

優點：第一次調用才初始化，避免內存浪費。

缺點：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。
getInstance() 的性能對應用程序不是很關鍵（該方法使用不太頻繁）。

synchronized 關鍵字JDK隨着版本升級一直在進行優化，其實效率已經很不錯了，但是編程是一門科學性學科，實事求是的說，加這個關鍵字，會影響效率。

餓漢式

public class HungrySingleton {

    //private 私有化，外部不得調用，static 啓動時就分配該對象內存
    private static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();

    private HungrySingleton(){} //私有化構造器，外部無法調用

    //提供類靜態方法，直接調用，得到唯一實例。
    public static HungrySingleton getInstance(){
        return instance;
    }

}

這種方式比較常用，但容易產生垃圾對象。

優點：沒有加鎖，執行效率會提高。

缺點：類加載時就初始化，浪費內存。

它基於 classloader 機制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時就實例化，雖然導致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數都是調用 getInstance 方法，但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態方法）導致類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達到 lazy loading 的效果。

浪費內存的原因，這個類在你的項目啓動時，就會去加載到JVM裏，如果你沒有去使用，就佔據了一小塊內存，如果項目中存在很多單例對象，會導致資源的浪費。

雙檢鎖/雙重校驗鎖（DCL，即 double-checked locking）

package com.design.pattern.creationalPattern.singletonPattern;

public class Singleton {

    //這裏加入volatile使其在多線程操作時，保持可見性
    private volatile static Singleton instance;

    private Singleton(){
        //構造器私有化,防止外部訪問,通過new Singleton()方式創建對象
    }
    
    public  static Singleton getInstance(){

        if (instance == null){ //第一次檢查instance是不是null 
            synchronized (Singleton.class){ //第二次加鎖再去檢查一遍是不是空，防止多線程併發導致線程上下文切換，生成多個實例對象。
                if (instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }


}

這種方式採用雙鎖機制，也是懶加載方式實現，安全且在多線程情況下能保持高性能。
getInstance() 的性能對應用程序很關鍵。

登記式/靜態內部類

package com.design.pattern.creationalPattern.singletonPattern;

public class Singleton {


    private Singleton(){
        //構造器私有化,防止外部訪問,通過new Singleton()方式創建對象
    }

    public  static Singleton getInstance(){

        return SingletonHolder.instance;
    }

    private static class SingletonHolder{
        
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }


}

這種方式能達到雙檢鎖方式一樣的功效，但實現更簡單,所以使用比較廣泛。對靜態域使用延遲初始化，應使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用於靜態域的情況，雙檢鎖方式可在實例域需要延遲初始化時使用。
這種方式同樣利用了 classloader 機制來保證初始化 instance 時只有一個線程，它跟第 3 種方式不同的是：第 3 種方式只要 Singleton 類被裝載了，那麼 instance 就會被實例化（沒有達到 lazy loading 效果），而這種方式是 Singleton 類被裝載了，instance 不一定被初始化。因爲 SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有通過顯式調用 getInstance 方法時，纔會顯式裝載 SingletonHolder 類，從而實例化 instance。
想象一下，如果實例化 instance 很消耗資源，所以想讓它延遲加載，另外一方面，又不希望在 Singleton 類加載時就實例化，因爲不能確保 Singleton 類還可能在其他的地方被主動使用從而被加載，那麼這個時候實例化 instance 顯然是不合適的。這個時候，這種方式相比第 3 種方式就顯得很合理。

枚舉

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

這種實現方式還沒有被廣泛採用，但這是實現單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支持序列化機制，絕對防止多次實例化。
這種方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多線程同步問題，而且還自動支持序列化機制，防止反序列化重新創建新的對象，絕對防止多次實例化。不過，由於 JDK1.5 之後才加入 enum 特性,因爲枚舉類型是線程安全的，並且只會裝載一次，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實際工作中，也很少用。
不能通過 reflection attack 來調用私有構造方法。

設計模式:單例模式(精講)

設計模式之單例模式

設計理念

定義

特點

結構與實現

結構

實現

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