Java設計模式之單例模式的究極版寫法

單例模式可能是後端學習者接觸到的第一種設計模式，可是單例模式真的有那麼簡單嗎？在併發模式下會出現什麼樣的問題？在學習了前面的併發知識後，我們來看看究極版的單例模式應該怎麼寫。

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一、單例模式第一版

我們最初接觸到的單例模式一般就是懶漢模式與餓漢模式。我們先來看看怎麼寫：

//懶漢模式
public class Singleton {
    private Singleton() {}  //私有構造函數
    private static Singleton instance = null;  //單例對象
    //靜態工廠方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

//餓漢模式
public class Singleton {
    private Singleton() {}  //私有構造函數
    private static Singleton instance = new Singleton();  //單例對象
    //靜態工廠方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

• 要想讓一個類只能構建一個對象，自然不能讓它隨便去做new操作，因此Signleton的構造方法是私有的。

• instance是Singleton類的靜態成員，也是我們的單例對象。它的初始值可以寫成Null，也可以寫成new Singleton()。至於其中的區別後來會做解釋。

• getInstance是獲取單例對象的方法。

這兩個名字很形象：餓漢主動找食物吃，懶漢躺在地上等着人喂。
1、餓漢式：在程序啓動或單件模式類被加載的時候，單件模式實例就已經被創建。
2、懶漢式：當程序第一次訪問單件模式實例時才進行創建。

懶漢模式加載快執行慢，但是有線程安全問題，容易引起不同步問題，所以應該創建同步"鎖"。

二、單例模式第二版

懶漢模式的線程安全問題主要在if (instance == null)這句判斷是否爲空上。在多線程的環境下，可能有多個線程同時通過這個判斷。這樣一來，就有可能同時創建多個實例。讓我們來對代碼做一下修改：

public class Singleton {
    private Singleton() {}  //私有構造函數
   private static Singleton instance = null;  //單例對象
   //靜態工廠方法
   public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {      //雙重檢測機制
            synchronized (Singleton.class){  //同步鎖
                if (instance == null) {     //雙重檢測機制
                    instance = new Singleton();
                }
            }
         }
        return instance;
    }
}

• 爲了防止new Singleton被執行多次，因此在new操作之前加上Synchronized 同步鎖，鎖住整個類（注意，這裏不能使用對象鎖）。

• 進入Synchronized 臨界區以後，還要再做一次判空。因爲當兩個線程同時訪問的時候，線程A構建完對象，線程B也已經通過了最初的判空驗證，不做第二次判空的話，線程B還是會再次構建instance對象。

然而，這種方法也有一定的缺席。

三、單例模式第三版

假設這樣的場景，當兩個線程一先一後訪問getInstance方法的時候，當A線程正在構建對象，B線程剛剛進入方法。

這種情況表面看似沒什麼問題，要麼Instance還沒被線程A構建，線程B執行 if（instance == null）的時候得到true；要麼Instance已經被線程A構建完成，線程B執行 if（instance == null）的時候得到false。

我們之前在JAVA併發編程(一)：理解volatile關鍵字學習過指令重排的知識，instance = new Singleton()這個操作不是一個原子操作，它在執行的時候要經歷以下三個步驟：

memory =allocate();    //1：分配對象的內存空間 
ctorInstance(memory);  //2：初始化對象 
instance =memory;     //3：設置instance指向剛分配的內存地址 

所以這裏有可能出現如下情況：

當線程A執行完1,3,時，instance對象還未完成初始化，但已經不再指向null。此時如果線程B搶佔到CPU資源，執行 if（instance == null）的結果會是false，從而返回一個沒有初始化完成的instance對象。

如何避免這一情況呢？我們需要在instance對象前面增加一個修飾符volatile。

public class Singleton {
    private Singleton() {}  //私有構造函數
    private volatile static Singleton instance = null;  //單例對象
    //靜態工廠方法
    public static Singleton getInstance() {
          if (instance == null) {      //雙重檢測機制
         synchronized (Singleton.class){  //同步鎖
           if (instance == null) {     //雙重檢測機制
             instance = new Singleton();
                }
             }
          }
          return instance;
      }
}

三、其他方式實現單例模式

實現單例模式的手段還有很多，我們再來看一些別的實現方式。

①靜態內部類實現單例模式

public class Singleton {
    private static class LazyHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

需要注意的是：

• 從外部無法訪問靜態內部類LazyHolder，只有當調用Singleton.getInstance方法的時候，才能得到單例對象INSTANCE。

• INSTANCE對象初始化的時機並不是在單例類Singleton被加載的時候，而是在調用getInstance方法，使得靜態內部類LazyHolder被加載的時候。因此這種實現方式是利用classloader的加載機制來實現懶加載，並保證構建單例的線程安全。

• 靜態內部類與餓漢&懶漢模式存在共同的問題:無法防止利用反射來重複構建對象。

②枚舉實現單例模式

可以防止反射的無懈可擊的單例模式代碼:

public class SingletonExample {

    // 私有構造函數
    private SingletonExample() {

    }

    public static SingletonExample getInstance() {
        return Singleton.INSTANCE.getInstance();
    }

    private enum Singleton {
        INSTANCE;

        private SingletonExample singleton;

        // JVM保證這個方法絕對只調用一次
        Singleton() {
            singleton = new SingletonExample();
        }

        public SingletonExample getInstance() {
            return singleton;
        }
    }
}

使用枚舉實現的單例模式不僅能夠防止反射構造對象，而且可以保證線程安全。不過這種方式也有一個缺點，那就是不能實現懶加載，它的單例模式是在枚舉類被加載的時候進行初始化的。

參考文章

漫畫：什麼是單例模式？

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本文作者： catalinaLi
本文鏈接： http://catalinali.top/2018/singletonPattern/
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