Java设计模式 | 单例模式解析与实战
定义
确保某一个类只有一个实例，
而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。
使用场景
确保某个类有且只有一个对象的场景，
避免产生多个对象消耗过多的资源，
或者
某种类型的对象只应该有且只有一个。
例如，
创建一个对象需要消耗的资源过多，
如要访问IO和数据库等资源，这时就要考虑使用单例模式。
单例模式UML类图
- 角色：
（1）Client——高层客户端；
（2）Singleton——单例类。
- 实现单例模式的关键点：
（1）**
构造函数**不对外开放，一般为**Private**； （2）通过一个**静态方法**或者**枚举**返回**单例类对象**； （3）确保**单例类的对象**有且只有一个，尤其是在**多线程环境**下； （4）确保**单例类对象**在**反序列化时**不会重新**构建对象**。 - 通过将单例类的**
构造函数私有化**， 使得客户端代码不能通过new的形式手动构造**单例类的对象**。 单例类**会暴露一个**公有静态方法**，**客户端**需要调用这个**静态方法**获取到**单例类**的**唯一对象**；**- 在获取这个单例对象的过程中需要确保**
线程安全**， 即在**多线程环境**下构造**单例类的对象**也是**有且只有一个**， 这也是**实现的难点**。
重点，注意单例模式中 volatile的重要性
单例的几种实现方式
1. 饿汉模式
声明一个**静态类对象**，在**声明时**就己经**初始化**，
用户调用**类对象get方法**时，可以直接拿去用；
【一声明就初始化，所谓“饿”】
如下，
CEO类使用了饿汉单例模式；
/**
* 普通员工
*/
class Staff {
public void work() {
// 干活
}
}
// 副总裁
class VP extends Staff {
@Override
public void work() {
// 管理下面的经理
}
}
// CEO， 饿汉单例模式
class CEO extends Staff {
private static final CEO mCeo = new CEO();
// 构造函数私有
private CEO() {
}
// 公有的静态函数，对外暴露获取单例对象的接口
public static CEO getCeo() {
return mCeo;
}
@Override
public void work() {
// 管理VP
}
}
// 公司类
class Company {
private List<Staff> allPersons = new ArrayList<Staff>();
public void addStaff(Staff per) {
allPersons.add(per);
}
public void showAllStaffs() {
for (Staff per : allPersons) {
System.out.println("Obj : " + per.toString());
}
}
}
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Company cp = new Company();
// CEO对象只能通过getCeo函数获取
Staff ceo1 = CEO.getCeo();
Staff ceo2 = CEO.getCeo();
cp.addStaff(ceo1);
cp.addStaff(ceo2);
// 通过new创建VP对象
Staff vp1 = new VP();
Staff vp2 = new VP();
// 通过new创建Staff对象
Staff staff1 = new Staff();
Staff staff2 = new Staff();
Staff staff3 = new Staff();
cp.addStaff(vp1);
cp.addStaff(vp2);
cp.addStaff(staff1);
cp.addStaff(staff2);
cp.addStaff(staff3);
cp.showAllStaffs();
}
}2. 懒汉模式
- 懒汉模式是声明一个静态对象，
并且在用户**
第一次**调用**getInstance**时**才**进行**初始化**； 【“拖延”，等到调用才初始化，所谓“懒”！】
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance;
private Singleton () {}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton ();
}
return instance;
}
}getInstance()**中添加了**synchronized关键字， 也就是getInstance()**是一个同步方法，** 即上面所说的在**多线程**情况下保证**单例对象唯一性**的手段。- 只不过这里可能有一个问题，
即使**
instance**己经被初始化（第一次调用时就会被初始化instance），每次**调用**getInstance**方法都会进行**同步**，** 这样会消耗不必要的资源，这也是懒汉单例模式存在的最大问题。 - 优点：单例只有在使用时才会被实例化，在一定程度上**
节约了资源**； - 缺点：第一次加载时需要及时进行实例化，反应稍慢，
最大的问题是每次调用 getInstance都进行**
同步**，造成不必要的**同步开销**。
这种模式一般不建议使用！！！！！！！！！！
3. DoubleCheckLock(DCL)实现单例【双重校验锁】
- 优点：
资源利用率高，
第一次执行**
getInstance()**时单例对象才会被实例化，效率高。 既能够在**需要时才初始化**单例， 又能够保证**线程安全**， 且单例对象初始化后每次调用**getInstance()**不进行**同步锁**， 减少不必要的**同步开销**： - 缺点：第一次加载时反应稍慢， 也由于 Java 内存模型的原因偶尔会失败。 在高并发环境下也有一定的缺陷，虽然发生概率很小。
public class Singleton {
private volatile static Singleton sInstance = null;
private Singleton() {
}
public void doSomething() {
System.out.println("do sth.");
}
public static Singleton getInstance() {
if (mInstance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (mInstance == null) {
sInstance = new Singleton();
}
}
}
return sInstance;
}- static 保证单例； volatile 禁止重排序； getInstance() 用来获取实例； synchronized 保证原子性、可见性、线程安全；
- 亮点：**
getInstance()**方法中对**instance**进行了两次判空： 第一层判断主要是为了避免不必要的同步【有实例则直接返回，没必要同步】， 第二层的判断则是为了在**null的情况**下**创建实例** 【可能第一层与第二层判断中途有其他线程初始化完成了单例， 单例不为**null**，就不用创建了】：
假设线程A和线程B先后访问了**getInstance()**;
线程A执行到**sInstance = new Singleton()**语句，
这里看起来是一句代码，但实际上它并不是一个**原子操作**，
这句代码最终会被编译成多条汇编指令，它大致做了**3件**事情：
（1）给Singleton的实例**分配内存**；
（2）调用**Singleton()**的**构造函数**，**初始化**成员字段；
（3）将**sInstance对象**指向分配的内存空间（此时sInstance就不是**null**了）。
但是，由于Java编译器允许处理器**乱序执行**，
以及JDK1.5之前**JMM（Java Memory Model，即Java内存模型）**中Cache、
寄存器到主内存回写顺序的规定，
上面的第二和第三的顺序是**无法保证**的。【指令重排序】
即，执行顺序可能是1-2-3也可能是1-3-2。
如果是后者，并且在**3执行完毕**、**2未执行之前**，被切换到**线程B**上，
这时候**sInstance**因为己经在线程A内执行过了第三点，
sInstance**己经是**非空**了，**
所以，
线程B**通过**getInstance()**直接取走**sInstance**，**
再使用时就会**出错**，这就是**DCL失效问题**，
而且这种难以跟踪难以重现的错误很可能会隐藏很久。
在JDK1.5之后，SUN官方己经注意到这种问题，
调整了JVM，具体化了**volatile**关键字，
因此，
如果JDK是1.5或之后的版本，
只需要将**sInstance**的定义改成**private volatile static Singleton sInstance = null**就可以保证sInstance对象**每次都是从主内存中读取**，
就可以使用DCL的写法来完成**单例模式**。
当然，**volatile** 或多或少也会影响到**性能**，
但考虑到程序的**正确性**，牺牲这点性能还是值得的。^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
- DCL 模式是**
使用最多**的单例实现方式！！！！ ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ 它能够在**需要时才**实例化单例对象， 并且能够在绝大多数场景下保证单例对象的**唯一性**， 除非代码在并发场景比较复杂或者低于JDK 6版本下使用， 否则，这种方式一般能够满足需求。
4. 静态内部类单例模式
- DCL虽然在一定程度上解决了**
资源消耗、多余的同步、线程安全**等问题， 但是，它还是在某些情况下出现失效的问题。 就是刚说的**双重检查锁定（DCL）失效**； - 在《Java 并发编程实践》一书的最后谈到了这个问题，
并指出这种“优化”是**
丑陋**的，**不赞成使用**。 而建议使用如下的代码**替代**：
public class Singleton {
private Singleton() { }
public static Singleton getInstance () {
return SingletonHolder.sInstance;
}
/**
* 静态内部类
*/
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton sInstance = new Singleton();
}
}- 当第一次加载**
Singleton类**时并不会初始化**sInstance**， 只有在第一次调用**Singleton**的**getInstance()**时**sInstance**才会被初始化！！！ 因此， 第一次调用**getInstance()**会导致虚拟机加载**SingletonHolder类**， 这种方式不仅能够确保**线程安全**， 也能够保证单例对象的**唯一性**，同时也**延迟**了单例的**实例化**， 所以这是推荐使用的单例模式实现方式。
5. 枚举单例
除了以上几种方式，还有更简单的实现方式——枚举！：
public enum SingletonEnum {
INSTANCE;
public void doSomething() {
System.out.println("do sth.");
}
}- 优点突出：写法简单；
枚举**在Java中与普通的类是一样的，**
不仅能够有字段，还能够有自己的方法。
最重要的是**默认枚举实例**的**创建**是**线程安全**的，
并且在**任何情况下**它都是一个**单例**。
在上述的几种单例模式实现中，
在一个情况下它们会出现**重新创建对象**的情况，那就是**反序列化**。
通过**序列化**可以将**一个单例**的**实例对象**写到**磁盘**，
然后再**读回来**，从而有效地**获得一个实例**。
即使**构造函数**是**私有**的，
反序列化**时依然可以通过特殊的途径去创建类的一个**新的实例**，**
相当于调用该类的**构造函数**。
反序列化**操作提供了一个很特别的**钩子函数**，**
类中具有一个**私有的、被实例化**的方法**readResolve()**，
这个方法可以让开发人员控制对象的**反序列化**。
例如，
上述几个示例中如果要杜绝单例对象在被反序列化时重新生成对象，
那么必须加入如下方法：
private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return sInstance;
}即在**readResolve()**中将**sInstance对象**返回，
而不是默认的重新生成一个新的对象。
而对于枚举，并不存在这个问题，
因为即使**反序列化**它也不会**重新生成**新的实例。
参考：
- 《Android源码设计模式解析与实战》