java设计模式之--单例模式

单例模式

单例模式限制类的实例和确保java类在java虚拟机中只有一个实例的存在。

单例类必须提供一个全局的访问来获取类的实例。

单例模式用来日志，驱动对象，缓存和线程池。

单例设计模式也用在其他设计模式，例如抽象工厂，建造者，原型，门面等设计模式。

单例模式还用在核心java中，例如java.lang.Runtime, java.awt.Desktop

java单例模式

为了实现Singleton模式，我们有不同的方法，但它们都有以下共同的概念。

• 私有构造方法限制从其他类初始化类的实例。
• 私有静态变量与该类的实例相同。
• 公有静态方法返回类的实例，这是提供给外部访问的全局访问点来获取单例类的实例。在以下的章节，我们将学习单例模式的不同实现方法。

常见的实现方式如下

• 饿汉式
• 懒汉式
• volatile双重检查锁机制
• 静态内部类
• 枚举（天生单例）

饿汉式

顾名思义，饿汉式就是第一次引用该类的时候就创建实例对象，而不管是否需要。代码如下：

    public class Singleton {   
        private static Singleton singleton = new Singleton();
        private Singleton() {}
        public static Singleton getSignleton(){
            return singleton;
        }
    }

优缺点：这样做的好处是代码简单，但是无法做到延迟加载。但是很多时候我们希望能够延迟加载，从而减小负载，所以就有了下面的懒汉式；

懒汉式

单线程写法
这种写法是最简单的，由私有构造器和一个公有静态工厂方法构成，在工厂方法中对singleton进行null判断，如果是null就new一个出来，最后返回singleton对象。
这种方法可以实现延时加载，但是有一个致命弱点：
线程不安全。如果有两条线程同时调用getSingleton()方法，就有很大可能导致重复创建对象。

public class Singleton {
   private static Singleton singleton = null;
   
   private Singleton(){}
   
   public static Singleton getSingleton() {
       if(singleton == null) {
         singleton = new Singleton();
       }
       return singleton;
   }
}

线程安全写法
这种写法考虑了线程安全，将对singleton的null判断以及new的部分使用synchronized进行加锁。同时，对singleton对象使用volatile关键字进行限制，保证其对所有线程的可见性，并且禁止对其进行指令重排序优化。如此即可从语义上保证这种单例模式写法是线程安全的。注意，这里说的是语义上，实际使用中还是存在小坑的，会在后文写到。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton singleton = null;
 
    private Singleton(){}
 
    public static Singleton getSingleton(){
        synchronized (Singleton.class){
            if(singleton == null){
                singleton = new Singleton();
            }
        }
        return singleton;
    }    
}

双重检查锁

虽然上面这种写法是可以正确运行的，但是其效率低下，还是无法实际应用。因为每次调用getSingleton()方法，都必须在synchronized这里进行排队，而真正遇到需要new的情况是非常少的。所以，就诞生了第三种写法：

public class Singleton {
    private static volatile Singleton singleton = null;
 
    private Singleton(){}
 
    public static Singleton getSingleton(){
        if(singleton == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(singleton == null){
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }    
}

这种写法被称为“双重检查锁”，顾名思义，就是在getSingleton()方法中，进行两次null检查。看似多此一举，但实际上却极大提升了并发度，进而提升了性能。为什么可以提高并发度呢？就像上文说的，在单例中new的情况非常少，绝大多数都是可以并行的读操作。因此在加锁前多进行一次null检查就可以减少绝大多数的加锁操作，执行效率提高的目的也就达到了；

双重检查锁机制的坑

那么，这种写法是不是绝对安全呢？前面说了，从语义角度来看，并没有什么问题。但是其实还是有坑。

• 说这个坑之前我们要先来看看volatile这个关键字。其实这个关键字有两层语义。
• 第一层语义大家相对比较熟悉，可见性。可见性是指在一个线程中对该变量的修改由工作内存（Work Memory）写回主内存（Main Memory），所以会马上反应到其他线程的读写操作中。顺便一提，工作内存和主内存可以近似理解成电脑中的高速缓存和主存，工作内存是线程独享的，主存是线程共享的。
• volatile的第二层语义是防止指令重排。大家知道我们写的代码（尤其是多线程代码），由于编译器优化，在实际执行的时候可能和我们编写的顺序不同。编译器只保证程序执行结果和源代码相同，却不保证实际指令的顺序和源代码相同。这在单线程没什么问题，然而一旦引入多线程，这种乱序就可能导致严重问题。volatile关键字就可以从语义上解决这个问题。

注意，禁止指令重排优化这条语义直到jdk1.5以后才能正确工作。此前的JDK中即使将变量声明为volatile也无法完全避免重排序所导致的问题。所以，在jdk1.5版本前，双重检查锁形式的单例模式是无法保证线程安全的。

静态内部类

那么，有没有一种延时加载，并且能保证线程安全的简单写法呢？我们可以把Singleton实例放到一个静态内部类中，这样就避免了静态实例在Singleton类加载的时候就创建对象，并且由于静态内部类只会被加载一次，所以这种写法也是线程安全的：

public class Singleton {

    private static class Holder {
        private static Singleton singleton = new Singleton();
    }
 
    private Singleton(){}
 
    public static Singleton getSingleton(){
        return Holder.singleton;
    }
}

但是，上面提到的所有实现方式都有两个共同的缺点：

1. 都需要额外的工作(Serializable、transient、readResolve())来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象实例时都会创建一个新的实例。
2. 可能会有人使用反射强行调用我们的私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

枚举写法

当然，还有一种更加优雅的方法来实现单例模式，那就是枚举写法：

public enum SingleEnum {
    NEW_INSTANCE {
        @Override
        protected void doSomething() {
            System.out.println("----业务方法调用----");
        }
    };

    SingleEnum() {
    }

    /**
     * 业务方法定义
     */
    protected abstract void doSomething();

    public static void main(String[] args) {
        SingleEnum.NEW_INSTANCE.doSomething();
    }
}

使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。因此，Effective Java推荐尽可能地使用枚举来实现单例。

总结

代码没有一劳永逸的写法，只有在特定条件下最合适的写法。在不同的平台、不同的开发环境（尤其是jdk版本）下，自然有不同的最优解（或者说较优解）。
比如枚举，虽然Effective Java中推荐使用，但是在Android平台上却是不被推荐的。在这篇Android Training中明确指出：

Enums often require more than twice as much memory as static constants. You should strictly avoid using enums on Android.

再比如双重检查锁法，不能在jdk1.5之前使用，而在Android平台上使用就比较放心了（一般Android都是jdk1.6以上了，不仅修正了volatile的语义问题，还加入了不少锁优化，使得多线程同步的开销降低不少）。

最后，不管采取何种方案，请时刻牢记单例的三大要点：

• 线程安全
• 延迟加载
• 序列化与反序列化安全

参考资料

《Effective Java（第二版）》
《深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践（第二版）》