JAVA設計模式之單例模式

概念

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java中單例模式是一種常見的設計模式，單例模式的寫法有好幾種，這裏主要介紹三種：懶漢式單例、餓漢式單例、登記式單例。

單例模式有以下特點：

• 單例類只能有一個實例。
• 單例類必須自己創建自己的唯一實例。
• 單例類必須給所有其他對象提供這一實例。
  　　單例模式確保某個類只有一個實例，而且自行實例化並向整個系統提供這個實例。在計算機系統中，線程池、緩存、日誌對象、對話框、打印機、顯卡的驅動程序對象常被設計成單例。這些應用都或多或少具有資源管理器的功能。每臺計算機可以有若干個打印機，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個打印作業同時輸出到打印機中。每臺計算機可以有若干通信端口，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，選擇單例模式就是爲了避免不一致狀態，避免政出多頭。

懶漢式單例

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//懶漢式單例類.在第一次調用的時候實例化自己   
public class Singleton {  
    private Singleton() {}  
    private static Singleton single=null;  
    //靜態工廠方法   
    public static Singleton getInstance() {  
         if (single == null) {    
             single = new Singleton();  
         }    
        return single;  
    }  
}  

Singleton通過將構造方法限定爲private避免了類在外部被實例化，在同一個虛擬機範圍內，Singleton的唯一實例只能通過getInstance()方法訪問。
（事實上，通過Java反射機制是能夠實例化構造方法爲private的類的，那基本上會使所有的Java單例實現失效。此問題在此處不做討論，姑且掩耳盜鈴地認爲反射機制不存在。）

但是以上懶漢式單例的實現沒有考慮線程安全問題，它是線程不安全的，併發環境下很可能出現多個Singleton實例，要實現線程安全，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，對線程安全不是很瞭解，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：

• 在getInstance方法上加同步

public static synchronized Singleton getInstance() {  
         if (single == null) {    
             single = new Singleton();  
         }    
        return single;  
}  

• 雙重檢查鎖定

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

• 靜態內部類

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

這種比上面1、2都好一些，既實現了線程安全，又避免了同步帶來的性能影響。

餓漢式單例

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//餓漢式單例類.在類初始化時，已經自行實例化   
public class Singleton1 {  
    private Singleton1() {}  
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();  
    //靜態工廠方法   
    public static Singleton1 getInstance() {  
        return single;  
    }  
}  

餓漢式在類創建的同時就已經創建好一個靜態的對象供系統使用，以後不再改變，所以天生是線程安全的。

登記式單例(可忽略)

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//類似Spring裏面的方法，將類名註冊，下次從裏面直接獲取。  
public class Singleton3 {  
    private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();  
    static{  
        Singleton3 single = new Singleton3();  
        map.put(single.getClass().getName(), single);  
    }  
    //保護的默認構造子  
    protected Singleton3(){}  
    //靜態工廠方法,返還此類惟一的實例  
    public static Singleton3 getInstance(String name) {  
        if(name == null) {  
            name = Singleton3.class.getName();  
            System.out.println("name == null"+"--->name="+name);  
        }  
        if(map.get(name) == null) {  
            try {  
                map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance());  
            } catch (InstantiationException e) {  
                e.printStackTrace();  
            } catch (IllegalAccessException e) {  
                e.printStackTrace();  
            } catch (ClassNotFoundException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
        return map.get(name);  
    }  
    //一個示意性的商業方法  
    public String about() {      
        return "Hello, I am RegSingleton.";      
    }      
    public static void main(String[] args) {  
        Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);  
        System.out.println(single3.about());  
    }  
}  

登記式單例實際上維護了一組單例類的實例，將這些實例存放在一個Map（登記薄）中，對於已經登記過的實例，則從Map直接返回，對於沒有登記的，則先登記，然後返回。

這裏我對登記式單例標記了可忽略，我的理解來說，首先它用的比較少，另外其實內部實現還是用的餓漢式單例，因爲其中的static方法塊，它的單例在類被裝載的時候就被實例化了。

餓漢式和懶漢式區別

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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，只有當調用getInstance的時候，纔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：

• 線程安全：

餓漢式天生就是線程安全的，可以直接用於多線程而不會出現問題，

懶漢式本身是非線程安全的，爲了實現線程安全有幾種寫法，分別是上面的1、2、3，這三種實現在資源加載和性能方面有些區別。

• 資源加載和性能：

餓漢式在類創建的同時就實例化一個靜態對象出來，不管之後會不會使用這個單例，都會佔據一定的內存，但是相應的，在第一次調用時速度也會更快，因爲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纔會實例化對象出來，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。

至於1、2、3這三種實現又有些區別，

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，確保了只有第一次調用單例的時候纔會做同步，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時只有一個線程，所以也是線程安全的，同時沒有性能損耗，所以一般我傾向於使用這一種。

• 什麼是線程安全？

如果你的代碼所在的進程中有多個線程在同時運行，而這些線程可能會同時運行這段代碼。如果每次運行結果和單線程運行的結果是一樣的，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：一個類或者程序所提供的接口對於線程來說是原子操作，或者多個線程之間的切換不會導致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

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以下是一個單例類使用的例子，以懶漢式爲例，這裏爲了保證線程安全，使用了雙重檢查鎖定的方式：

public class TestSingleton {  
    String name = null;  
  
        private TestSingleton() {  
    }  
  
    private static volatile TestSingleton instance = null;  
  
    public static TestSingleton getInstance() {  
           if (instance == null) {    
             synchronized (TestSingleton.class) {    
                if (instance == null) {    
                   instance = new TestSingleton();   
                }    
             }    
           }   
           return instance;  
    }  
  
    public String getName() {  
        return name;  
    }  
  
    public void setName(String name) {  
        this.name = name;  
    }  
  
    public void printInfo() {  
        System.out.println("the name is " + name);  
    }  
  
}  

可以看到裏面加了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，爲什麼還要加volatile呢，原因已經在下面評論中提到，

還有疑問可參考http://www.iteye.com/topic/652440
和http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

public class TMain {  
    public static void main(String[] args){  
        TestStream ts1 = TestSingleton.getInstance();  
        ts1.setName("jason");  
        TestStream ts2 = TestSingleton.getInstance();  
        ts2.setName("0539");  
          
        ts1.printInfo();  
        ts2.printInfo();  
          
        if(ts1 == ts2){  
            System.out.println("創建的是同一個實例");  
        }else{  
            System.out.println("創建的不是同一個實例");  
        }  
    }  
}  

運行結果：

結論：由結果可以得知單例模式爲一個面向對象的應用程序提供了對象惟一的訪問點，不管它實現何種功能，整個應用程序都會同享一個實例對象。

對於單例模式的幾種實現方式，知道餓漢式和懶漢式的區別，線程安全，資源加載的時機，還有懶漢式爲了實現線程安全的3種方式的細微差別。

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靜態內部類單例模式

雙重檢查鎖定這種寫法在getSingleton方法中對singleton進行了兩次判空，第一次是爲了不必要的同步，第二次是在singleton等於null的情況下才創建實例。在這裏用到了volatile關鍵字，不瞭解volatile關鍵字的可以查看Java多線程（三）volatile域這篇文章，在這篇文章我也提到了雙重檢查模式是正確使用volatile關鍵字的場景之一。

在這裏使用volatile會或多或少的影響性能，但考慮到程序的正確性，犧牲這點性能還是值得的。 DCL優點是資源利用率高，第一次執行getInstance時單例對象才被實例化，效率高。缺點是第一次加載時反應稍慢一些，在高併發環境下也有一定的缺陷，雖然發生的概率很小。DCL雖然在一定程度解決了資源的消耗和多餘的同步，線程安全等問題，但是他還是在某些情況會出現失效的問題，也就是DCL失效，在《java併發編程實踐》一書建議用靜態內部類單例模式來替代DCL。

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

第一次加載Singleton類時並不會初始化sInstance，只有第一次調用getInstance方法時虛擬機加載SingletonHolder 並初始化sInstance ，這樣不僅能確保線程安全也能保證Singleton類的唯一性，所以推薦使用靜態內部類單例模式。