單例模式( Single Pattern )： 不僅僅是回字的四種寫法

單例模式作爲入門編程人員面試必考題之一，也是被玩壞了， 猛然一搜盡然有七種寫法，什麼懶漢，餓漢五花八門， 這裏參考已經比較不錯的文章， 忽略五花八門的命名， 把單例模式不同寫法按邏輯演進梳理一下， 方便記憶。

參考文章：
1. 單例模式的八種寫法比較
2. Wiki: Initialization-on-demand holder idiom
3. Java Singleton Design Pattern Best Practices with Examples

單例模式的應用場景

• 整個應用中只需要特定類型的實例需要全局唯一， 否則應用程序就沒法正常運行。

單例模式的最原始寫法（線程不安全）

public class Singleton 
{
    private static Singleton instance; // can only be accessed by getInstance
    private Singleton()  // can not called by outside to create more instances
    {
        ...
    }

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

        return instance;
    }   
}

單例模式的代碼乍一看很簡單， 但是對於第一次看到單例模式的初學者來說， 有幾個細節需要關注。

• 單例模式的成員變量instance 的修飾符必須是 private static
  
  • 因爲靜態變量是被所在類的所有實例共享的
• 單例模式的構造函數必須用private修飾
  
  • 從語法層面保證其他類中，根本無法獲得實例化該類的權限
• 單例模式獲取單例的方法getInstance用public static synchronized 修飾
  
  • public static關鍵字修飾的方法爲其他類獲得單例模式的唯一實例提供了接口

上述寫法僅僅適用於不會有多個線程同時調用getInstance方法，現假設有兩個線程同時調用getInstance, 假設線程A 剛剛執行完if( instance == null )後，時間片用盡， 線程B也執行到了if( instance == null )的判斷， 此時線程B也會通過該判斷， 至此之後， 無論CPU如何調度， 線程A和線程B都會執行一次new Instance ， 從而導致線程A和線程B獲得的對象是不一樣的，違背了單例模式創建實例的唯一性。

所以接下來需要解決的是多線程模式下的單例模式

單例模式的線程安全寫法

• 通過synchronized關鍵字保證線程安全（非常簡單）

public class Singleton
{
private static Singleton instance; // can only be accessed by getInstance
private Singleton() // can not called by outside to create more instances
{
…
}

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

    return instance;
}   

}

該寫法和最原始的寫法相比， 僅僅多了一個synchronized 關鍵字， 保證了同一時刻只有一個線程可以進入getInstance方法。

• 缺點：
  
  • 同一時刻只有一個線程可以執行getInstance（）方法，實際上， 只要在instance 被初始化了以後， return instance 是可以被併發執行的。

單例模式的線程安全高效寫法1

public class Singleton {

    private static volatile Singleton singleton;

    private Singleton() {}

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

• 與上一個的線程安全寫法相比，有兩個需要注意的變化。
  
  • synchronized關鍵字僅僅修飾了 if(singleton == null) 以後的內容。
    
    • 這個變動好理解， 因爲當instance 被實例化以後， return是可以併發執行的。
  • synchronized關鍵字修飾的塊的內部又加了一次重複地判斷 if(singleton == null)
    
    • 這個變動需要思考一下， 因爲在instance 尚未被初始化時， 還是有可能有多個線程同時通過 if(singleton == null) 的判斷。 例如線程A 通過了if(singleton == null) 的判斷，進入了synchronized部分， 在synchronized方法執行到一半時被掛起， 線程B得到調度， 此時同樣會通過 if(singleton == null) 的判斷， 雖然無法立即進入synchronized塊， 但是等待線程A執行完synchronized部分以後， 線程B還是會再次進入synchronized方法。
  • 成員變量的instance 修飾符多了volatile 關鍵字。
    
    • 該關鍵字保證了一個線程成功實例化instance 後， 該變化立刻對所有的線程可見。 具體細節可以單獨查閱volatile 關鍵字的功用。

上述的單例模式基本上已經可以算是最優的寫法了， 下面還有一種利用靜態內部類實現的寫法， 根本不使用同步機制，與該寫法不分伯仲

單例模式線程安全高效寫法2

 public class Singleton {
    private Singleton() {}

    private static class LazyHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

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

這種方法利用了jvm 的類裝載機制來保證線程安全， 因爲靜態變量的初始化是在類被加載的時候時進行的， 而jvm 加載類時， 是隻允許一個線程進入的， 這樣就保證了線程安全。 同時， 由於是靜態內部類， 所以並不會在Singleton 被加載的時候就初始化LazyHolder, 而是當getInstance（） 被調用時纔會加載LazyHolder。

總結

以上的三種線程安全寫法基本上涵蓋了單例模式最重要的知識點，對於工程實踐來說， 線程安全高效寫法1 和 線程安全高效寫法2 掌握一種即可。 但是以上介紹的寫法的線程安全其實都可以被反射調用所違背， 如果想避免反射調用違背線程安全， 可以採用枚舉方式的線程安全寫法， 但是這種考量太不常用了， 也無法實現延遲加載， 有興趣者可以閱讀參考文章3.