單例設(shè)計模式全解析
目錄：
1. 懶漢方式
1.1 非線程安全的單例模式
1.2 線程安全的單例模式
1.2.1 性能較差的同步單例模式
1.2.2 雙重檢查鎖
2. 餓漢方式
2.1 類加載實(shí)例化
3. 靜態(tài)內(nèi)部類方式
4. 枚舉方式
5. 總結(jié)
在學(xué)習(xí)設(shè)計模式時运杭，單例設(shè)計模式應(yīng)該是學(xué)習(xí)的第一個設(shè)計模式讲冠，單例設(shè)計模式也是“公認(rèn)”最簡單的設(shè)計模式券膀，但真實(shí)并非如此辟躏，本文將介紹了多種實(shí)現(xiàn)單例模式的方法谷扣。目前有三種方式可以實(shí)現(xiàn)單例模式，分別是
- 懶漢方式
- 餓漢方式
- 枚舉方式
1.懶漢方式
懶漢方式由懶加載的工作方式而得名捎琐。根據(jù)線程安全與否会涎，可以分為非線程安全和線程安全兩種實(shí)現(xiàn)方式。
1.1 非線程安全的單例模式
非線程安全的單例實(shí)現(xiàn)方式是學(xué)習(xí)單例模式時接觸到的第一個單例程序瑞凑。雖然該程序是非線程安全的末秃，但是能夠更好的理解單例模式的核心思想。具體的代碼如下：
代碼1：
public class Singleton {
//表示Singleton的唯一實(shí)例
private static Singleton singleton = null;
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance(){
//如果singleton的實(shí)例為null籽御，則新建實(shí)例练慕，否則返回創(chuàng)建好的實(shí)例對象
if( singleton == null ){
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
}
從非線程安全的單例模式中，可以清楚看到技掏，單例模式包含了一個私有的構(gòu)造方法和一個靜態(tài)方法铃将，這是實(shí)現(xiàn)單例模式的必要條件。在Signleton類中哑梳，沒有同步操作劲阎，所以是線程不安全的。
1.2 線程安全的單例模式
為了實(shí)現(xiàn)線程安全的單例模式涧衙，一般通過synchronized關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)哪工，本次主要探討通過synchronized關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)奥此。
1.2.1 性能較差的單例模式
為了保證代碼1中Singleton類線程安全，可以為getInstance方法增加synchronized關(guān)鍵字修飾雁比。具體代碼如下：
代碼2：
public class Singleton {
private static Singleton singleton = null;
private Singleton(){}
public synchronized static Singleton getInstance(){
//如果singleton的實(shí)例為null稚虎，則新建實(shí)例，否則返回創(chuàng)建好的實(shí)例對象
if( singleton == null ){
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
}
在代碼2中實(shí)現(xiàn)了線程安全的getInstance方法偎捎，這樣保證了在任何時刻蠢终，只能有一個線程調(diào)用getInstance方法。但是這種卻是低效的茴她，因?yàn)楫?dāng)單例對象創(chuàng)建后寻拂，所有線程仍然無法同時調(diào)用getInstance方法，即使在這時線程安全問題已經(jīng)不存在丈牢。
既然為方法增加synchronized關(guān)鍵字會給程序性能帶來損失祭钉，那么有沒有一種方式可以避免呢？理想的情況應(yīng)該是當(dāng)singleton實(shí)例為null時己沛，才進(jìn)行同步操作慌核，否則直接返回singleton實(shí)例，這樣就大大降低了synchronize關(guān)鍵字帶來的性能損失申尼。
1.2.2 雙重檢查鎖
為了解決代碼2中的同步方法帶來的性能損失垮卓，依照1.2.1節(jié)最后提出的解決思路，本節(jié)主要介紹了雙重檢查鎖师幕，雙重檢查鎖實(shí)現(xiàn)只有當(dāng)單例沒有實(shí)例化時粟按，進(jìn)行同步，否則直接返回實(shí)例霹粥，不進(jìn)行同步灭将，從而降低了同步帶來的同步損失，具體如下述代碼所示：
代碼3：
public class Singleton {
private static volatile Singleton singleton = null;
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance(){
if(singleton == null ){ //A
synchronized (Singleton.class){ //B
if(singleton == null ){ //C
singleton=new Singleton(); //D
}
}
}
return singleton;
}
}
代碼3中通過雙重檢查鎖實(shí)現(xiàn)了線程安全的單例模式蒙挑，其中A行首先對singleton實(shí)例進(jìn)行是否為null的判斷宗侦，為了防止競爭，通過synchronized代碼塊實(shí)現(xiàn)同步忆蚀，程序是對Singleton Class 實(shí)現(xiàn)同步矾利，從而實(shí)現(xiàn)在任何一個時刻只能有一個類實(shí)例訪問同步塊代碼，在代碼內(nèi)部繼續(xù)進(jìn)行對singleton進(jìn)行了是否為null判斷馋袜，當(dāng)兩個條件同時滿足男旗，才新建實(shí)例，并且返回實(shí)例對象欣鳖。同時應(yīng)該注意類屬性Singleton由volatile關(guān)鍵字修飾察皇，這也是保證線程安全的關(guān)鍵部分，下面通過兩個問題，進(jìn)一步理解上述代碼：
-
為什么要進(jìn)行兩次NUll判斷什荣？請說明兩次NULL判斷存在的必要性矾缓。
答：首先需要說明，兩次非空判斷是為了保證在多線程的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)線程安全稻爬。行A NULL判斷實(shí)現(xiàn)了如果singleton is not null 時嗜闻，直接返回實(shí)例。
為了進(jìn)一步說明桅锄，現(xiàn)假設(shè)存在線程1和線程2琉雳，在某一個時刻（singleton未被實(shí)例化），線程1運(yùn)行到了行C友瘤，線程2運(yùn)行到了A行翠肘。此時，線程2判斷singleton is null 從而進(jìn)入if體內(nèi)辫秧，由于沒有Singleton.class的同步鎖束倍，只能等待下去；接著盟戏，線程1判斷singleton同樣為null肌幽，繼續(xù)運(yùn)行D行并且返回了新建的實(shí)例，注意此時singleton已經(jīng)被實(shí)例化抓半。線程1結(jié)束，由于線程1釋放的同步鎖格嘁，從而線程2獲得了同步鎖笛求，繼續(xù)運(yùn)行同步塊內(nèi)的部分，假設(shè)行D的null判斷不存在糕簿，此時將返回新的Singleton對象探入，這樣就無法實(shí)現(xiàn)單例模式。所以兩次null判斷都是非常必要的懂诗。
-
請解釋一下volatile關(guān)鍵字的在程序中的作用
答：在多線程編程環(huán)境中蜂嗽，經(jīng)常會用到了volatile關(guān)鍵字，該關(guān)鍵字保證了每個線程在棧中不會保存該變量的副本殃恒，每次都是從主內(nèi)存中讀取該變量植旧，從而保證變量對于每個線程的可見性。然而volatile還有一個重要的特性：禁止指令的重排序優(yōu)化离唐。也就是說volatile變量的賦值操作會有個內(nèi)存屏障病附，讀操作不會被重排序到寫操作之前。
介紹了Volatile關(guān)鍵字的作用亥鬓，為了解釋volatile在程序中的作用完沪，首先解析一下行D，表面上行D只有一行代碼嵌戈，遺憾的是該行代碼不是原子性的覆积。事實(shí)上听皿，JVM虛擬機(jī)會解析成三個操作：
(1) 為singleton變量分配內(nèi)存；
(2) 調(diào)用Singleton構(gòu)造函數(shù)宽档，初始化成員變量,初始化Singleton的內(nèi)存空間
(3) singletion變量指向創(chuàng)建的Signleton的內(nèi)存空間
當(dāng)步驟(3)執(zhí)行完成后尉姨，singleton就不再是null。由于JVM內(nèi)部存在指令優(yōu)化雌贱，上述三個步驟的順序可能被打亂啊送，存在(1)(2)(3)和(1)(3)(2)的執(zhí)行順序。
假設(shè)存在線程1和線程2,在沒有volatile關(guān)鍵字修飾變量的情況下欣孤，線程1運(yùn)行至行D馋没，而線程2還沒有開始執(zhí)行。由上述分析可知行D被解析成三個原子操作降传，并且存在多種執(zhí)行順序篷朵，假設(shè)當(dāng)前的執(zhí)行順序是(1)(3)(2)。如果當(dāng)線程1執(zhí)行完(3)并且在(2)執(zhí)行之前婆排，線程2開始執(zhí)行可以看到singleton此時已經(jīng)指向某塊內(nèi)存空間声旺，不再是null，線程執(zhí)行行A然后就返回singleton段只，當(dāng)調(diào)用singleton就報錯了腮猖。這是因?yàn)閟ingleton所指向的內(nèi)存空間其實(shí)還不是Singleton的內(nèi)存空間，并沒有進(jìn)行初始化操作赞枕。
當(dāng)存在volatile關(guān)鍵字時澈缺，volatile保證了三個操作執(zhí)行完畢后，才允許進(jìn)行讀操作(讀操作不會被重排序到寫操作之前)炕婶，從而避免了上述可能出現(xiàn)的錯誤姐赡。
2. 餓漢方式
相比于懶漢方式的懶加載方式，餓漢方式就是另外一種非懶加載的方式柠掂。本節(jié)將詳細(xì)介紹餓漢方式中的類加載實(shí)例化方式项滑。廢話不多說，請看下面的代碼：
代碼4：
public class Singleton {
private static final Singleton singleton = new Singleton();
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance(){
return singleton;
}
}
在代碼4中涯贞，最明顯的不同是靜態(tài)方法getInstance()中的判斷邏輯幾乎沒有了枪狂，代碼顯得更加的簡潔。但是也應(yīng)該注意到肩狂，singleton的實(shí)例化操作放在了屬性聲明的位置摘完，如果對static關(guān)鍵字非常了解的話，就應(yīng)該知道屬性singleton的實(shí)例化操作是當(dāng)Singleton類首次被加載（使用）時完成的傻谁，也就是說即使不調(diào)用getInstance方法孝治，singleton的仍然被實(shí)例化，并一直放在了堆內(nèi)存中。
雖然類加載實(shí)例化的方式使得代碼的判斷邏輯簡單了許多谈飒，但是該方式仍然有一個明顯的缺陷就是：即使程序中不需要單例對象岂座，只要單例類被加載到內(nèi)存中，單例對象就一直在內(nèi)存中存在杭措，如果內(nèi)存相對稀缺的話费什，那么將是災(zāi)難性的。
3. 靜態(tài)內(nèi)部類方式
為了解決餓漢方式所帶類的問題手素，本節(jié)將詳細(xì)地介紹靜態(tài)內(nèi)部類方式鸳址。具體的代碼如下所示：
代碼5：
public class Singleton {
private static class SingletonHolder{
private static final Singleton singleton = new Singleton();
}
private Singleton(){}
public static Singleton2 getInstance(){
return SingletonHolder.singleton;
}
}
代碼5中使用了靜態(tài)內(nèi)部類的方式實(shí)現(xiàn)了調(diào)用時的實(shí)例化方式，即是只有當(dāng)getInstance()方法被調(diào)用時泉懦，才實(shí)例化Singleton的實(shí)例稿黍。由于單例對象是當(dāng)調(diào)用時才進(jìn)行實(shí)例化，該方式其實(shí)是屬于懶漢方式崩哩。
4. 枚舉方式
枚舉是為了描述有限個狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)巡球，根據(jù)《JAVA編程思想》的介紹，枚舉類與普通類基本相同邓嘹，只是枚舉類中的幾個有限的值都是該枚舉類的靜態(tài)實(shí)例化對象酣栈。更多關(guān)于枚舉類的相關(guān)信息，可以深入閱讀《JAVA編程思想》的相關(guān)章節(jié)汹押。下面介紹一種方式實(shí)現(xiàn)矿筝，具體請看下面的代碼：
代碼6：
public enum Singleton {
INSTANCE;
}
代碼6是最簡單的枚舉，可以通過Singleton.INSTANCE訪問單例實(shí)例棚贾。如果想要為INSTANCE增加更多的“功能”跋涣，可以在枚舉類Singleton增加相關(guān)的方法，通過Singleton.INSTANTCE.methodName()來調(diào)用鸟悴。由于創(chuàng)建枚舉是線程安全的，所以沒有必要擔(dān)心線程安全問題奖年，并且還可以防止反序列化創(chuàng)建新的對象细诸。這也是《Effective Java》中推薦使用的單例方式。
5. 總結(jié)
本文主要對單例模式進(jìn)行全面的解析陋守，以逐步遞進(jìn)的方式介紹各種實(shí)現(xiàn)單例模式的方式震贵，依次介紹了非線程安全的懶漢方式、兩種線程安全的懶漢方式（性能損失的單例模式和雙重檢查鎖）水评、餓漢方式猩系、靜態(tài)內(nèi)部方式、枚舉方式中燥。在實(shí)際工作中寇甸，可以選用靜態(tài)內(nèi)部類和枚舉類方式來實(shí)現(xiàn)單例模式。
