设计模式沉思录（三）之单例模式

2018-07-12 原理理解 PV:

设计模式沉思录（三）之单例模式

本文整理自四人帮著作：Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software（中文译名：设计模式 - 可复用的面向对象软件元素）

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：
1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

介绍
意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。
如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：
1、一个党只能有一个主席。
2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：
1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：
1、要求生产唯一序列号。
2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

单例模式的几种实现方式

1、懒汉式，线程不安全

叫懒汉是因为他很懒，平时不叫他他就不实例化，要用到他了才匆匆忙忙实例化
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：否
实现难度：易

描述：最基本，最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。在多线程不能正常工作。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
  
    public static Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}

2、懒汉式，线程安全（一次同步锁）

描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是效率很低，因为99% 情况下不需要同步，你却每次getInstance的时候都锁一下。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用较少）。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {//对构造方法加锁，性能差  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}

3、饿汉式，线程安全

他很饿，饿就很勤奋呀，还没用到他呢，就实例化（静态）了。占用内存啊。

描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：利用static唯一性实现线程安全，没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton(); //其他的静态方法被调用会导致实例化 （静态变量实例先于静态方法）
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  //暴露的静态构造方法
    return instance;  
    }  
}

4.双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton; //保证可见性
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getSingleton() {  
    if (singleton == null) {  //在创建时，先验证，解决了一上来就加锁的性能缺陷
        synchronized (Singleton.class) {  
        if (singleton == null) {  //避免加锁后已经被创建了，再检验
            singleton = new Singleton();  
        }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

5.登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是

描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。
想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

public class Singleton {  
    //静态内部类的构造，要后于静态方法，所以其他静态方法被调用的时候，不会触发实例化 
    private static class SingletonHolder {  
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
    return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

#6.枚举饿汉 enum 特性

是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是

描述：这种实现方式还没有被广泛采用，
特点：最佳方法。简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

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

总结：

一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。