【設計模式】單例

單例（Singleton）

Intent

確保一個類只有一個實例，並提供該實例的全局訪問點。

Class Diagram

使用一個私有構造函數、一個私有靜態變量以及一個公有靜態函數來實現。

私有構造函數保證了不能通過構造函數來創建對象實例，只能通過公有靜態函數返回唯一的私有靜態變量。

Implementation

Ⅰ 懶漢式-線程不安全

以下實現中，私有靜態變量 uniqueInstance 被延遲實例化，這樣做的好處是，如果沒有用到該類，那麼就不會實例化 uniqueInstance，從而節約資源。

這個實現在多線程環境下是不安全的，如果多個線程能夠同時進入 if (uniqueInstance == null) ，並且此時 uniqueInstance 爲 null，那麼會有多個線程執行 uniqueInstance = new Singleton(); 語句，這將導致實例化多次 uniqueInstance。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

Ⅱ 餓漢式-線程安全

線程不安全問題主要是由於 uniqueInstance 被實例化多次，採取直接實例化 uniqueInstance 的方式就不會產生線程不安全問題。

但是直接實例化的方式也丟失了延遲實例化帶來的節約資源的好處。

private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

Ⅲ 懶漢式-線程安全

只需要對 getUniqueInstance() 方法加鎖，那麼在一個時間點只能有一個線程能夠進入該方法，從而避免了實例化多次 uniqueInstance。

但是當一個線程進入該方法之後，其它試圖進入該方法的線程都必須等待，即使 uniqueInstance 已經被實例化了。這會讓線程阻塞時間過長，因此該方法有性能問題，不推薦使用。

public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
    if (uniqueInstance == null) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
    return uniqueInstance;
}

Ⅳ 雙重校驗鎖-線程安全

uniqueInstance 只需要被實例化一次，之後就可以直接使用了。加鎖操作只需要對實例化那部分的代碼進行，只有當 uniqueInstance 沒有被實例化時，才需要進行加鎖。

雙重校驗鎖先判斷 uniqueInstance 是否已經被實例化，如果沒有被實例化，那麼纔對實例化語句進行加鎖。

public class Singleton {

    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

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

考慮下面的實現，也就是隻使用了一個 if 語句。在 uniqueInstance == null 的情況下，如果兩個線程都執行了 if 語句，那麼兩個線程都會進入 if 語句塊內。雖然在 if 語句塊內有加鎖操作，但是兩個線程都會執行 uniqueInstance = new Singleton(); 這條語句，只是先後的問題，那麼就會進行兩次實例化。因此必須使用雙重校驗鎖，也就是需要使用兩個 if 語句：第一個 if 語句用來避免 uniqueInstance 已經被實例化之後的加鎖操作，而第二個 if 語句進行了加鎖，所以只能有一個線程進入，就不會出現 uniqueInstance == null 時兩個線程同時進行實例化操作。

if (uniqueInstance == null) {
    synchronized (Singleton.class) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
}

uniqueInstance 採用 volatile 關鍵字修飾也是很有必要的， uniqueInstance = new Singleton(); 這段代碼其實是分爲三步執行：

1. 爲 uniqueInstance 分配內存空間
2. 初始化 uniqueInstance
3. 將 uniqueInstance 指向分配的內存地址

但是由於 JVM 具有指令重排的特性，執行順序有可能變成 1>3>2。指令重排在單線程環境下不會出現問題，但是在多線程環境下會導致一個線程獲得還沒有初始化的實例。例如，線程 T₁ 執行了 1 和 3，此時 T₂ 調用 getUniqueInstance() 後發現 uniqueInstance 不爲空，因此返回 uniqueInstance，但此時 uniqueInstance 還未被初始化。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保證在多線程環境下也能正常運行。

Ⅴ 靜態內部類實現

當 Singleton 類被加載時，靜態內部類 SingletonHolder 沒有被加載進內存。只有當調用 getUniqueInstance() 方法從而觸發 SingletonHolder.INSTANCE 時 SingletonHolder 纔會被加載，此時初始化 INSTANCE 實例，並且 JVM 能確保 INSTANCE 只被實例化一次。

這種方式不僅具有延遲初始化的好處，而且由 JVM 提供了對線程安全的支持。

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

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

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

Ⅵ 枚舉實現

public enum Singleton {

    INSTANCE;

    private String objName;


    public String getObjName() {
        return objName;
    }


    public void setObjName(String objName) {
        this.objName = objName;
    }


    public static void main(String[] args) {

        // 單例測試
        Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
        firstSingleton.setObjName("firstName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
        secondSingleton.setObjName("secondName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        System.out.println(secondSingleton.getObjName());

        // 反射獲取實例測試
        try {
            Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
            for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
                System.out.println(enumConstant.getObjName());
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

firstName
secondName
secondName
secondName

該實現可以防止反射攻擊。在其它實現中，通過 setAccessible() 方法可以將私有構造函數的訪問級別設置爲 public，然後調用構造函數從而實例化對象，如果要防止這種攻擊，需要在構造函數中添加防止多次實例化的代碼。該實現是由 JVM 保證只會實例化一次，因此不會出現上述的反射攻擊。

該實現在多次序列化和序列化之後，不會得到多個實例。而其它實現需要使用 transient 修飾所有字段，並且實現序列化和反序列化的方法。

Examples

• Logger Classes
• Configuration Classes
• Accesing resources in shared mode
• Factories implemented as Singletons

JDK

• java.lang.Runtime#getRuntime()
• java.awt.Desktop#getDesktop()
• [java.lang.System#getSecurityManager()](