【Java學習筆記之三十】詳解Java單例(Singleton)模式

概念：

　　單例模式有以下特點：

　　1、單例類隻能有一個執行個體。

　　2、單例類必須自己建立自己的唯一執行個體。

　　3、單例類必須給所有其他對象提供這一執行個體。

　　單例模式確定某個類隻有一個執行個體，而且自行執行個體化并向整個系統提供這個執行個體。在計算機系統中，線程池、緩存、日志對象、對話框、列印機、顯示卡的驅動程式對象常被設計成單例。這些應用都或多或少具有資料總管的功能。每台計算機可以有若幹個列印機，但隻能有一個Printer

Spooler，以避免兩個列印作業同時輸出到列印機中。每台計算機可以有若幹通信端口，系統應當集中管理這些通信端口，以避免一個通信端口同時被兩個請求同時調用。總之，選擇單例模式就是為了避免不一緻狀态，避免政出多頭。

一、懶漢式單例

Singleton通過将構造方法限定為private避免了類在外部被執行個體化，在同一個虛拟機範圍内，Singleton的唯一執行個體隻能通過getInstance()方法通路。

（事實上，通過Java反射機制是能夠執行個體化構造方法為private的類的，那基本上會使所有的Java單例實作失效。此問題在此處不做讨論，姑且掩耳盜鈴地認為反射機制不存在。）

但是以上懶漢式單例的實作沒有考慮線程安全問題，它是線程不安全的，并發環境下很可能出現多個Singleton執行個體，要實作線程安全，有以下三種方式，都是對getInstance這個方法改造，保證了懶漢式單例的線程安全，如果你第一次接觸單例模式，對線程安全不是很了解，可以先跳過下面這三小條，去看餓漢式單例，等看完後面再回頭考慮線程安全的問題：

1、在getInstance方法上加同步

2、雙重檢查鎖定

3、靜态内部類

這種比上面1、2都好一些，既實作了線程安全，又避免了同步帶來的性能影響。

二、餓漢式單例

餓漢式在類建立的同時就已經建立好一個靜态的對象供系統使用，以後不再改變，是以天生是線程安全的。

三、登記式單例(可忽略)

登記式單例實際上維護了一組單例類的執行個體，将這些執行個體存放在一個Map（登記薄）中，對于已經登記過的執行個體，則從Map直接傳回，對于沒有登記的，則先登記，然後傳回。 

這裡我對登記式單例标記了可忽略，我的了解來說，首先它用的比較少，另外其實内部實作還是用的餓漢式單例，因為其中的static方法塊，它的單例在類被裝載的時候就被執行個體化了。

餓漢式和懶漢式差別

從名字上來說，餓漢和懶漢，

餓漢就是類一旦加載，就把單例初始化完成，保證getInstance的時候，單例是已經存在的了，

而懶漢比較懶，隻有當調用getInstance的時候，才回去初始化這個單例。

另外從以下兩點再區分以下這兩種方式：

1、線程安全：

餓漢式天生就是線程安全的，可以直接用于多線程而不會出現問題，

懶漢式本身是非線程安全的，為了實作線程安全有幾種寫法，分别是上面的1、2、3，這三種實作在資源加載和性能方面有些差別。

2、資源加載和性能：

餓漢式在類建立的同時就執行個體化一個靜态對象出來，不管之後會不會使用這個單例，都會占據一定的記憶體，但是相應的，在第一次調用時速度也會更快，因為其資源已經初始化完成，

而懶漢式顧名思義，會延遲加載，在第一次使用該單例的時候才會執行個體化對象出來，第一次調用時要做初始化，如果要做的工作比較多，性能上會有些延遲，之後就和餓漢式一樣了。

至于1、2、3這三種實作又有些差別，

第1種，在方法調用上加了同步，雖然線程安全了，但是每次都要同步，會影響性能，畢竟99%的情況下是不需要同步的，

第2種，在getInstance中做了兩次null檢查，確定了隻有第一次調用單例的時候才會做同步，這樣也是線程安全的，同時避免了每次都同步的性能損耗

第3種，利用了classloader的機制來保證初始化instance時隻有一個線程，是以也是線程安全的，同時沒有性能損耗，是以一般我傾向于使用這一種。

什麼是線程安全？

如果你的代碼所在的程序中有多個線程在同時運作，而這些線程可能會同時運作這段代碼。如果每次運作結果和單線程運作的結果是一樣的，而且其他的變量的值也和預期的是一樣的，就是線程安全的。

或者說：一個類或者程式所提供的接口對于線程來說是原子操作，或者多個線程之間的切換不會導緻該接口的執行結果存在二義性,也就是說我們不用考慮同步的問題，那就是線程安全的。

應用

以下是一個單例類使用的例子，以懶漢式為例，這裡為了保證線程安全，使用了雙重檢查鎖定的方式：

可以看到裡面加了volatile關鍵字來聲明單例對象，既然synchronized已經起到了多線程下原子性、有序性、可見性的作用，為什麼還要加volatile呢？

不加的情況下，假設兩個線程，線程A正在執行instance = new Instance()的操作，而線程B開始執行if（instance==null）的判斷，當不存在volatile的時候，因為 new Instance()是一個非原子操作，可能發生無序寫入，構造函數可能在整個對象構造完成前執行完畢，線程B可能會看到一個不完整的instance對象，因為java的某些實作會在記憶體中開辟一片存儲對象的區域後直接傳回記憶體的引用，是以線程B判斷不為null，而這時候實際上，instance的構造函數還沒有執行，進而線程b得到不完整的對象。在 Instance 的構造函數執行之前，會在記憶體中開辟一片存儲對象的區域後直接傳回記憶體的引用，指派給變量 instance，instance也就可能成為非 null 的，即指派語句在對象執行個體化之前調用，此時别的線程得到的是一個還會初始化的對象，這樣會導緻系統崩潰線程B可能會看到一個不完整的instance對象，因為java的某些實作，是以線程B判斷不為null。進而得到不完整的對象。

假設沒有關鍵字volatile的情況下，兩個線程A、B，都是第一次調用該單例方法，線程A先執行instance = new Instance()，該構造方法是一個非原子操作，編譯後生成多條位元組碼指令，由于JAVA的指令重排序，可能會先執行instance的指派操作，該操作實際隻是在記憶體中開辟一片存儲對象的區域後直接傳回記憶體的引用，之後instance便不為空了，但是實際的初始化操作卻還沒有執行，如果就在此時線程B進入，就會看到一個不為空的但是不完整（沒有完成初始化）的Instance對象，是以需要加入volatile關鍵字，禁止指令重排序優化，進而安全的實作單例。

建立對象可以分解為如下的3行僞代碼：

上面3行代碼中的2和3之間，可能會被重排序導緻先3後2,

運作結果：

結論：由結果可以得知單例模式為一個面向對象的應用程式提供了對象惟一的通路點，不管它實作何種功能，整個應用程式都會同享一個執行個體對象。

對于單例模式的幾種實作方式，知道餓漢式和懶漢式的差別，線程安全，資源加載的時機，還有懶漢式為了實作線程安全的3種方式的細微差别。