设计模式（四）——单例模式（Singleton）

       单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。

3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

 

首先我们写一个简单的单例类： 

public class Singleton {

	/* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */
	private static Singleton instance = null;

	/* 私有构造方法，防止被实例化 */
	private Singleton() {
	}

	/* 静态工程方法，创建实例 */
	public static Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new Singleton();
		}
		return instance;
	}

	/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
	public Object readResolve() {
		return instance;
	}
}

       这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了。 

       如何解决？   我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字： 

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

     但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个： 

双重检查锁定（DCL）方案：

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

       似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例： 

a>A、B线程同时进入了第一个if判断

b>A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();

c>由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

e>此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对该程序做进一步优化。

静态内部类（IoDH）方案：

private static class SingletonFactory{         
        private static Singleton instance = new Singleton();         
    }         
    public static Singleton getInstance(){         
        return SingletonFactory.instance;         
    } 

      实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

public class Singleton {

	/* 私有构造方法，防止被实例化 */
	private Singleton() {
	}

	/* 此处使用一个内部类来维护单例 */
	private static class SingletonFactory {
		private static Singleton instance = new Singleton();
	}

	/* 获取实例 */
	public static Singleton getInstance() {
		return SingletonFactory.instance;
	}

	/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
	public Object readResolve() {
		return getInstance();
	}
}

       其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。 

 

 

 单例类和静态类的区别：

1. 静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）。

2. 单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。

3. 单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。

4. 单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。

 

 

 2017-12-21 补充：

上述双重检查锁定（DCL）方案虽然有问题，但是可以稍加修改就能解决。

在java5及以上版本中，出现了volatile关键字，只需要将instance设置为volatile型，就可以实现线程安全的延迟加载的单例了：

      private volatile static Singleton instance;

      public static Singleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			synchronized (instance) {
				if (instance == null) {
					instance = new Singleton(); // instance为volatile类型
				}
			}
		}
		return instance;
	}

 （该方案需要jdk为5及以上版本支持）