java-設計模式-單例模式（Singleton）

java-設計模式-單例模式（Singleton）

重點總結：
1.單例需要考慮線程安全，需要分析到賦值、初始化順序；
2.要明白，在“賦值”、“初始化操”一條指令中（如：A a = new A();） jvm 是分兩步完成的不保證執行順序。即：分配a實例空間和對a對象初始化是分開完成的；
3.要正確考慮同步鎖 synchronized 的使用，用錯了多線程也會變爲單線程。如：public static synchronized Singleton getInstance() 方法同步鎖的使用就有嚴重性能問題；


單例對象（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。
首先我們寫一個簡單的單例類：

[java] view plaincopy
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，防止被實例化 */  
    private Singleton() {  
    }  
  
    /* 靜態工程方法，創建實例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
  
    /* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象在序列化前後保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        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？我們首先會想到對getInstance方法加

synchronized關鍵字，如下：
[java] view plaincopy
public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  

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：

[java] view plaincopy
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：

[java] view plaincopy
private static class SingletonFactory{           
        private static Singleton instance = new Singleton();           
    }           
    public static Singleton getInstance(){           
        return SingletonFactory.instance;           
    }   

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：

[java] view plaincopy
public class Singleton {  
  
    /* 私有構造方法，防止被實例化 */  
    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 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
  
    /* 如果該對象被用於序列化，可以保證對象在序列化前後保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}  

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：

[java] view plaincopy
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;  
    }  
}  

考慮性能的話，整個程序只需創建一次實例，所以性能也不會有什麼影響。
補充：採用"影子實例"的辦法爲單例對象的屬性同步更新

[java] view plaincopy
public class SingletonTest {  
  
    private static SingletonTest instance = null;  
    private Vector properties = null;  
  
    public Vector getProperties() {  
        return properties;  
    }  
  
    private SingletonTest() {  
    }  
  
    private static synchronized void syncInit() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new SingletonTest();  
        }  
    }  
  
    public static SingletonTest getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            syncInit();  
        }  
        return instance;  
    }  
  
    public void updateProperties() {  
        SingletonTest shadow = new SingletonTest();  
        properties = shadow.getProperties();  
    }  
}  

通過單例模式的學習告訴我們：
1、單例模式理解起來簡單，但是具體實現起來還是有一定的難度。
2、synchronized關鍵字鎖定的是對象，在用的時候，一定要在恰當的地方使用（注意需要使用鎖的對象和過程，可能有的時候並不是整個對象及整個過程都需要鎖）。
到這兒，單例模式基本已經講完了，結尾處，筆者突然想到另一個問題，就是採用類的靜態方法，實現單例模式的效果，也是可行的，此處二者有什麼不同？
首先，靜態類不能實現接口。（從類的角度說是可以的，但是那樣就破壞了靜態了。因爲接口中不允許有static修飾的方法，所以即使實現了也是非靜態的）
其次，單例可以被延遲初始化，靜態類一般在第一次加載是初始化。之所以延遲加載，是因爲有些類比較龐大，所以延遲加載有助於提升性能。
再次，單例類可以被繼承，他的方法可以被覆寫。但是靜態類內部方法都是static，無法被覆寫。
最後一點，單例類比較靈活，畢竟從實現上只是一個普通的Java類，只要滿足單例的基本需求，你可以在裏面隨心所欲的實現一些其它功能，但是靜態類不行。從上面這些概括中，基本可以看出二者的區別，但是，從另一方面講，我們上面最後實現的那個單例模式，內部就是用一個靜態類來實現的，所以，二者有很大的關聯，只是我們考慮問題的層面不同罷了。兩種思想的結合，才能造就出完美的解決方案，就像HashMap採用數組+鏈表來實現一樣，其實生活中很多事情都是這樣，單用不同的方法來處理問題，總是有優點也有缺點，最完美的方法是，結合各個方法的優點，才能最好的解決問題！