折騰Java設計模式之單例模式

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單例模式

Ensure a class has only one instance, and provide a global point of access to it.

一個類僅僅只有一個實例，并且提供全局的接入點。簡潔點理解就是涉及到一個單一的類，該類負責創建自己的對象，同時確保只有單個對象被創建。這個類提供了一種訪問它自己唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實例化該類的對象。

餓漢式單例模式

public final class EagerSingleton {

    private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton();

    private EagerSingleton() {
    }

    public static EagerSingleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

基于 classloader 機制避免了多線程的同步問題，不過INSTANCE在類裝載時就實例化，雖然導致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數都是調用 getInstance 方法。類在加載時就初始化了，會浪費空間，因為不管你用還是不用，它都創建出來了，但是因為沒有加鎖，執行效率較高。

懶漢式單例模式

/**
 * 懶漢式的單例模式-線程不安全的
 */
public final class LazyThreadNotSafeSingleton {

    private static LazyThreadNotSafeSingleton INSTANCE;

    private LazyThreadNotSafeSingleton() {
    }

    public static LazyThreadNotSafeSingleton getInstance() {
        if (null == INSTANCE) {
            INSTANCE = new LazyThreadNotSafeSingleton();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

/**
 * 懶漢式的單例模式-線程安全的
 */
public final class LazyThreadSafeSingleton {

    private static LazyThreadSafeSingleton INSTANCE;

    private LazyThreadSafeSingleton() {
    }

    public static synchronized LazyThreadSafeSingleton getInstance() {
        if (null == INSTANCE) {
            INSTANCE = new LazyThreadSafeSingleton();
        }
        return INSTANCE;
    }
}

有上述兩種懶漢式單例模式，區別在與靜態工廠方法getInstance是否加了synchronized修飾來進行同步，用于支持線程安全。懶漢式，在其加載對象的時候是不會創建對象實例的，只有等它真正使用的時候才會創建，如果一直沒有使用則一直不會創建，能夠避免內存浪費，也就是只有第一次調用的時候才會創建。但是加鎖synchronized就影響了性能和效率，導致getInstance方法的性能受影響，此種方式也不推薦。尋找一種既能線程安全又可以延遲加載的方式。

雙檢查鎖的單例模式

/**
 * 雙檢查鎖的單例模式-線程安全
 */
public final class DoubleCheckLockingSingleton {

    private static volatile DoubleCheckLockingSingleton INSTANCE;

    private DoubleCheckLockingSingleton() {
    }

    public static DoubleCheckLockingSingleton getInstance() {
        // 第一次檢查實例是否存在，如果存在即可返回，不存在則進入同步塊
        if (null == INSTANCE) {
            // 同步塊，線程安全
            synchronized (DoubleCheckLockingSingleton.class) {
                // 第二次檢查實例是否存在，如果還不存在則會真正的創建實例
                if (null == INSTANCE) {
                    INSTANCE = new DoubleCheckLockingSingleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

雙檢查加鎖的方式，能實現線程安全，又能減少性能的影響。雙檢查加鎖，旨在每次調用getInstance方法都需要同步，但是先不會同步，在第一次判斷實例是否存在后，如果不存在才進入同步塊，進入同步塊后，第二次檢查實例是否存在，如果不存在，在同步塊內創建實例。如此只有首次才會同步，從而減少了多次在同步情況下進行判斷所浪費的時間。雙檢查加鎖機制的實現會使用關鍵字volatile，它的意思是：被volatile修飾的變量的值，將不會被本地線程緩存，所有對該變量的讀寫都是直接操作共享內存，從而確保多個線程能正確的處理該變量。但是實現過程稍微復雜點。

靜態內部類Holder式單例模式

/**
 * 靜態內部類Holder式單例
 *
 * 延遲加載和線程安全
 */
public final class LazyInitializationHolderSingleton {

    private LazyInitializationHolderSingleton() {
    }

    public static LazyInitializationHolderSingleton getInstance() {
        return InstanceHolder.INSTANCE;
    }

    /**
     * 延遲加載
     */
    private static class InstanceHolder {

        private static final LazyInitializationHolderSingleton INSTANCE = new LazyInitializationHolderSingleton();
    }
}

當getInstance方法第一次被調用的時候，它第一次讀取InstanceHolder.INSTANCE，導致InstanceHolder類得到初始化；而這個類在裝載并被初始化的時候，會初始化它的靜態域，從而創建Singleton的實例，由于是靜態的域，因此只會在虛擬機裝載類的時候初始化一次，并由虛擬機來保證它的線程安全性。這個模式的優勢在于，getInstance方法并沒有被同步，并且只是執行一個域的訪問，因此延遲初始化并沒有增加任何訪問成本。其中使用到類的靜態內部類和多線程缺省同步鎖。

靜態內部類

靜態內部類指，有static修飾的成員式內部類。如果沒有static修飾的成員式內部類被稱為對象級內部類。類級內部類相當于其外部類的static成分，它的對象與外部類對象間不存在依賴關系，因此可直接創建。而對象級內部類的實例，是綁定在外部對象實例中的。靜態內部類中，可以定義靜態的方法。在靜態方法中只能夠引用外部類中的靜態成員方法或者成員變量。靜態內部類相當于其外部類的成員，只有在第一次被使用的時候才被會裝載。

多線程缺省同步鎖

在多線程開發中，為解決并發問題，主要是通過使用synchronized來加互斥鎖進行同步控制。但是在某些情況中，JVM已經隱含地為您執行了同步，這些情況下就不用自己再來進行同步控制了。這些情況包括：

1.由靜態初始化器（在靜態字段上或static{}塊中的初始化器）初始化數據時；

2.訪問final字段時；

3.在創建線程之前創建對象時；

4.線程可以看見它將要處理的對象時

枚舉類型的單例模式

/**
 * 采用枚舉類型的單例模式
 */
public enum SingletonEnum {

    INSTANCE;

    @Override
    public String toString() {
        return getDeclaringClass().getCanonicalName() + "@" + hashCode();
    }

    public void something(){
        //do something...
    }

}

簡潔，自動支持序列化機制，絕對防止多次實例化。《高效Java 第二版》中的說法：單元素的枚舉類型已經成為實現Singleton的最佳方法。用枚舉來實現單例非常簡單，只需要編寫一個包含單個元素的枚舉類型即可。

總結

不建議使用懶漢式，簡單的闊以使用餓漢式。涉及到反序列化創建對象時闊以使用枚舉方式。如果考慮到延遲加載 的話，闊以采用靜態內部類Holder的模式。如果對業務需求有特殊要求的時候闊以采用雙檢查鎖的單例。

參考

源碼地址

單例模式|菜鳥教程

《JAVA與模式》之單例模式

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