Java設計模式之-單例模式

單例模式（Singleton）是一種常用的設計模式。在Java應用中，單例對象能保證在一個JVM中，該對象只有一個實例存在。這樣的模式有幾個好處：

1、某些類創建比較頻繁，對於一些大型的對象，這是一筆很大的系統開銷。
2、省去了new操作符，降低了系統內存的使用頻率，減輕GC壓力。
3、有些類如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果該類可以創建多個的話，系統完全亂了。（比如一個軍隊出現了多個司令員同時指揮，肯定會亂成一團），所以只有使用單例模式，才能保證核心交易服務器獨立控制整個流程。

1、首先我們寫一個簡單的單例類

public class Singleton {

    // 持有私有靜態實例，防止被引用，此處賦值爲null，目的是實現延遲加載
    private static Singleton instance=null;
    // 私有構造方法，防止被外部創建
    private  Singleton() {

    }

    // 靜態工程方法，創建實例
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
            instance=new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

這個類可以滿足基本要求，但是，像這樣毫無線程安全保護的類，如果我們把它放入多線程的環境下，肯定就會出現問題了，如何解決？

2、我們首先會想到對getInstance方法加synchronized關鍵字，如下：

public class Singleton {

    // 持有私有靜態實例，防止被引用，此處賦值爲null，目的是實現延遲加載
    private static Singleton instance=null;
    // 私有構造方法，防止被外部創建
    private  Singleton() {

    }

    // 靜態工程方法，創建實例
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
            instance=new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

3、但是，synchronized關鍵字鎖住的是這個對象，這樣的用法，在性能上會有所下降，因爲每次調用getInstance()，都要對對象上鎖，事實上，只有在第一次創建對象的時候需要加鎖，之後就不需要了，所以，這個地方需要改進。我們改成下面這個：

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

似乎解決了之前提到的問題，將synchronized關鍵字加在了內部，也就是說當調用的時候是不需要加鎖的，只有在instance爲null，並創建對象的時候才需要加鎖，性能有一定的提升。但是，這樣的情況，還是有可能有問題的，看下面的情況：在Java指令中創建對象和賦值操作是分開進行的，也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。但是JVM並不保證這兩個操作的先後順序，也就是說有可能JVM會爲新的Singleton實例分配空間，然後直接賦值給instance成員，然後再去初始化這個Singleton實例。這樣就可能出錯了，我們以A、B兩個線程爲例：

a>A、B線程同時進入了第一個if判斷
b>A首先進入synchronized塊，由於instance爲null，所以它執行instance = new Singleton();
c>由於JVM內部的優化機制，JVM先畫出了一些分配給Singleton實例的空白內存，並賦值給instance成員（注意此時JVM沒有開始初始化這個實例），然後A離開了synchronized塊。
d>B進入synchronized塊，由於instance此時不是null，因此它馬上離開了synchronized塊並將結果返回給調用該方法的程序。
e>此時B線程打算使用Singleton實例，卻發現它沒有被初始化，於是錯誤發生了。
所以程序還是有可能發生錯誤，其實程序在運行過程是很複雜的，從這點我們就可以看出，尤其是在寫多線程環境下的程序更有難度，有挑戰性。我們對該程序做進一步優化：

private static class SingletonFactory{           
    private static Singleton instance = new Singleton();           
}           
public static Singleton getInstance(){           
    return SingletonFactory.instance;           
}

4、實際情況是，單例模式使用內部類來維護單例的實現，JVM內部的機制能夠保證當一個類被加載的時候，這個類的加載過程是線程互斥的。這樣當我們第一次調用getInstance的時候，JVM能夠幫我們保證instance只被創建一次，並且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢，這樣我們就不用擔心上面的問題。同時該方法也只會在第一次調用的時候使用互斥機制，這樣就解決了低性能問題。這樣我們暫時總結一個完美的單例模式：

public class Singleton {

    // 私有構造方法，防止被外部創建
    private  Singleton() {

    }

    // 此處使用一個內部類來維護單例
    private static class SingletonFactory{
        private static Singleton instance=new Singleton();
    }

    // 獲取實例
    @SuppressWarnings("unused")
    private static Singleton getInstance(){
        return SingletonFactory.instance;
    }
}

其實說它完美，也不一定，如果在構造函數中拋出異常，實例將永遠得不到創建，也會出錯。所以說，十分完美的東西是沒有的，我們只能根據實際情況，選擇最適合自己應用場景的實現方法。也有人這樣實現：因爲我們只需要在創建類的時候進行同步，所以只要將創建和getInstance()分開，單獨爲創建加synchronized關鍵字，也是可以的：

public class SingletonTest {  
    private static SingletonTest instance = null;  
    private SingletonTest() {  
    }  
    private static synchronized void syncInit() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new SingletonTest();  
        }  
    }  
    public static SingletonTest getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            syncInit();  
        }  
        return instance;  
    }  
}