Java 設計模式之單例模式詳解

本文學習一個Java單例模式。

單例模式

單例，顧名思義，就是隻存在一個實例。或許，你也會疑問？爲什麼會使用到單例模式呢？這是因爲，很多情況下，我們需要一個實例，比如線程池、緩存、驅動等，如果存在多個實例，那將會導致混亂。

首先我們複習下構造函數，

構造函數

構造函數的用處是實例化對象，
我們的用法通常是這樣，

public class ClassA {
    public ClassA() {
    }
}

用到該類的時候，我們可以這樣實例化，

ClassA a = new ClassA();

有兩個地方需要我們注意，
1. 構造函數名與類名一致
2. 權限修飾符爲public
關於上述兩條，第1條，類名一致是Java規定的，那有沒有想過第2條，權限修飾符必須是public麼？答案是不是，我們可以將其修改爲private，但是這樣就會帶來另一個問題，由於是private，在其他類中，無法調用該函數，所以就無法實例化，那麼如何實例化呢？

既然構造函數無法訪問，那麼我們能不能通過其他函數來得到該類的實例呢？答案是可以的。

public class ClassA {
    private ClassA() {
    }

    public static ClassA getClassA(){
        return new ClassA();
    }
}

上面代碼中，提供了一個getClassA方法，該方法的返回類型是ClassA，函數的主體是返回一個ClassA的實例，注意到該函數是靜態函數（static），爲什麼是靜態函數呢？靜態函數與非靜態函數的最主要區別在於，靜態函數可以直接通過類名來調用，而非靜態函數必須通過對象實例化來引用。
然後，我們可以這樣來獲取ClassA實例，

ClassA a = ClassA.getClassA();

那麼，我們將其修改成下面代碼，就成爲了單例模式，

單例1

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

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

首先聲明一個實例uniqueInstance，在getInstance方法中，判斷uniqueInstance是否爲null，若爲null，則實例化並賦值，若不爲null，則直接返回。該方法保證了uniqueInstance爲唯一的實例。
然而，在多線程下，該方法卻會出現問題，因爲，如果線程1和線程2同時調用該函數，將會出現同時修改現象。在操作系統中，這屬於多線程同步問題，我們可以將其獲取實例方法定義爲同步方法，就可以避免該現象。

單例2

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

synchronized 關鍵字的意思是，同步。意味着，在同一時刻，只能有一個對象調用該方法，其他調用方法處於等待狀態，直到調用結束，其他調用方法纔會一一執行（同步）。這樣就保證了不會同時修改對象。
然而，該方法也存在一個缺點，那就是如果很多個地方都需要調用getInstance方法的話，那樣JVM的壓力很大，因爲它要保證這麼多個調用都是同步調用（一個一個順序執行），同時，也會導致多個線程在getInstance方法上等待，這樣顯然帶來了較大的性能影響。我們可以使用方法3和方法4來改進.

單例3

我們將代碼修改成下面這樣，

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

和單例2最主要的區別，在於uniqueInstance唯一實例，是在加載類的時候創建的（static關鍵字造成的），這樣就可以保證，在所有調用getInstance之前，uniqueInstance已被初始化，該方法也不會給JVM帶來額外的負擔。

單例4

我們將代碼修改爲，

public class Singleton {
    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {//同步代碼塊
                if (uniqueInstance == null)
                    uniqueInstance = new Singleton();
            }//同步代碼塊結束
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

與單例2的區別在於，synchronized 關鍵字不是作用在getInstance方法上，這樣調用getInstance方法並不會給JVM帶來負擔（JVM並不需要對線程調用進行調整，進行順序執行）。
當多個線程調用getInstance方法時，該方法並不會阻塞，而是會在代碼塊上進行阻塞。在同步代碼塊內，爲什麼要再次檢查是否爲空呢？設想以下情形，10個線程在實例爲null的情況下同時調用getInstance方法，那麼只會有一個線程（姑且叫做線程A）能得到Singleton的鎖，其他線程都會在同步代碼塊上阻塞，當線程A執行完畢後，此時uniqueInstance應該不爲null，但是也不能確保其一定不是null，如果線程A沒有正常執行完畢，就被中斷了呢？所以我們在同步代碼塊裏需要再次判斷一下uniqueInstance 是否爲null，若不爲null，直接返回就是，若爲null，則要重新實例化。

好了，就寫到這裏，希望您能有所收穫，有啥問題，可以私信或回覆。