Java之设计模式之Singleton

Java之设计模式之Singleton

Java Singleton 单例设计模式属于四大设计模式之生产设计模式的一种。
该设计模式看似简单，但是涉及到许多注意点。

一、Java Singleton 简介

Java Singleton 单例设计只允许在JVM中产生类的一个实例对象。
因此这样的类不能提供对外的构造方法产生实例，而是提供一个 public 方法，
返回（指向）某个实例的引用。

Java Singleton 单例设计常用于：
1、Logging（日志）
2、Driver（驱动）
3、Caching（缓存）
4、Thread Pool（线程池）
5、Abstract Factory（抽象工厂）
6、Builder（构建器）
7、Prototype（原型设计）
8、Facade Design Pattern

在 core java 中也有出现单例模式的设计：
java.lang.Runtime
java.awt.Desktop
等

二、实现 Java Singleton

实现单例需要符合下列三点：
1、private 的构造方法。阻止除本类外的其他类对该类进行实例的构建。
2、private , static 的属性。这就是那个单例。
3、public static 的方法，用于对外返回单例。


单例的实现有以下几种方式：

按初始化分：
1、Eager initializtion （急初始化）
2、Static block initializtion （静态块初始化）
3、Lazy initializtion （懒初始化）

按线程安全分：
4、Thread Safe Singleton（线程安全式单例）
5、Bill Push Singleton（Bill Push 单例）


下面将逐一讲解：

1、Eager initializtion （急初始化）

急初始化模式下，单例在 Class 被 JVM 加载时即被创建。

优点：
    -容易实现。

缺点：
    -该类未被使用到时也被初始化。
    -不能进行异常处理。

点评：
如果使用较少的资源，可以使用此方法。
多数情形下，如 File System，Database Connection，应避免使用此方法。

代码：

public class EagerInitializedSingleton {
    
    private static final EagerInitializedSingleton instance 
                             = new EagerInitializedSingleton();
    
    //私有构造方法，避免其它类在该类外部构造此类的实例。
    private EagerInitializedSingleton(){}

    public static EagerInitializedSingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

2、Static block initializtion （静态块初始化）

静态块初始化方法跟急初始化差不多，只是可以在静态块中处理异常。

public class StaticBlockSingleton {

    private static StaticBlockSingleton instance;
    
    private StaticBlockSingleton(){}
    
    //static block initialization for exception handling
    static{
        try{
            instance = new StaticBlockSingleton();
        }catch(Exception e){
            throw new RuntimeException("Exception occured in creating singleton instance");
        }
    }
    
    public static StaticBlockSingleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

3、Lazy initializtion （懒初始化）

懒初始化单例设计模式，是在对外的 public 方法中生成实例对象的。
只需加一个是否为空的判断即可。

public class LazyInitializedSingleton {

    private static LazyInitializedSingleton instance;
    
    private LazyInitializedSingleton(){}
    
    public static LazyInitializedSingleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new LazyInitializedSingleton();
        }
        return instance;
    }
}

上面3种单例设计方式，在单线程的环境下可以正常工作。
但是，在多线程的环境下不行：当多个线程同时运行在 if 块内，
可能会产生多个实例对象。

下面讲述多线程环境下的单例模式。

4、Thread Safe Singleton（线程安全式单例）

最简单的实现是给对外公开的 public 的方法增加 synchronized 修饰符。

说明：关于 synchronized修饰符

这样一次只能有一个线程可以访问该方法。

public class ThreadSafeSingleton {

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

上面的方法在功能实现角度上是没有任何问题的。但是有一缺陷：效率比较低。
其实，只需对实例第一次产生时进行 synchroinized 即可。

改进：

public class ThreadSafeDoubleCheckingSingleton {

    private static ThreadSafeDoubleCheckingSingleton instance;
    
    private ThreadSafeDoubleCheckingSingleton(){}
    
    public static ThreadSafeDoubleCheckingSingleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized(ThreadSafeDoubleCheckingSingleton.class){
                if(instance == null){
                    instance = new ThreadSafeDoubleCheckingSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
    
}

5、Bill Push Singleton（Bill Push 单例）

在 Java 1.5 之前，java 内存模型有很多问题。
尤其是线程很多的情况下，上面的实现方式会莫名其妙的失效。

于是乎，Bill Push 提出了单例模式的另一种实现方式：借助内部类。

public class BillPughSingleton {

    private BillPughSingleton(){}
    
    private static class SingletonHelper{
        private static final BillPughSingleton INSTANCE = new BillPughSingleton();
    }
    
    public static BillPughSingleton getInstance(){
        return SingletonHelper.INSTANCE;
    }
}

内部类何时被初始化？
当类被 JVM 装载时，内部类不会被装载，直到 getInstance() 方法被调用。


这是被最广泛使用的线程安全的单例模式。
因为它不需要任何的 synchronized 修饰符。


三、Java Singleton 之继续讨论

1、Using Reflection to destroy Signleton Pattern

使用反射来破坏单例设计模式：
当使用反射机制生成类的实例时，上述单例设计方法便失效了。

public class ReflectionSingletonTest {

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        EagerInitializedSingleton instanceOne = 
                                   EagerInitializedSingleton.getInstance();        
        EagerInitializedSingleton instanceTwo = null;
        
        Constructor constructor = EagerInitializedSingleton.class.getDeclaredConstructor();
        constructor.setAccessible(true);
        instanceTwo = (EagerInitializedSingleton) constructor.newInstance();
        
        System.out.println(instanceOne.hashCode());
        System.out.println(instanceTwo.hashCode());
    }
}

上述两个 hashCode() 值是不同的。


2、Enum Singleton（枚举式单例）

为了克服使用反射所带来的问题， Joshua Bloch 建议使用 Enum 实现单例。
因为 Java 可以保证 enum value 只会被初始化一次。
既于 enum 的值都是 public 的，这种方式可以作为单例的实现之一。

缺点：
不够灵活。
急初始化，不能懒初始化。

public enum EnumSingleton {

    INSTANCE;
    
    public static void doSomething(){
        System.out.println("do something...");
    }
}

3、Serializtion and Singleton（单例序列化）

在分布式系统中，有时候需要对单例进行序列化（实现 Serializable 接口），
以便在系统磁盘中（或网络传输中）保存单例的状态，然后在后续的某个点取得具状态的单例。

在反序列化单例时，可能会使得到的实例与原来的不同（如果单例仅仅实现 Serializable 接口）。
解决方案是重写 Serializtion API 中的 readResolve() 方法。

import java.io.Serializable;

public class SerializedSingleton implements Serializable{

    private static final long serialVersionUID = -7604766932017737115L;

    private SerializedSingleton(){}
    
    private static class SingletonHelper{
        private static final SerializedSingleton instance = new SerializedSingleton();
    }
    
    public static SerializedSingleton getInstance(){
        return SingletonHelper.instance;
    }
    
    // This will fix the de-serialization issue
    private Object readResolve() {
         // Return the available instance instead.
        return getInstance();   
    }
    
}

/*
    
    readResolve() is used for replacing the object read from the stream. 
    The only use I've ever seen for this is enforcing singletons; 
    when an object is read, replace it with the singleton instance. 
    This ensures that nobody can create another instance by serializing 
    and de-serializing the singleton.

*/

测试类：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.ObjectInput;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutput;
import java.io.ObjectOutputStream;

public class SerializedSingletonTest {

    public static void main(String[] args) 
            throws FileNotFoundException, IOException, ClassNotFoundException {
        SerializedSingleton instanceOne = SerializedSingleton.getInstance();
        ObjectOutput out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("filename.ser"));
        out.writeObject(instanceOne);
        out.close();
        
        //deserailize from file to object
        ObjectInput in = new ObjectInputStream(new FileInputStream("filename.ser"));
        SerializedSingleton instanceTwo = (SerializedSingleton) in.readObject();
        in.close();
        
        System.out.println("instanceOne hashCode = "+instanceOne.hashCode());
        System.out.println("instanceTwo hashCode = "+instanceTwo.hashCode());
        
    }

}

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原文出处：http://lixh1986.iteye.com/blog/2351353











引用：
http://www.journaldev.com/1377/java-singleton-design-pattern-best-practices-examples





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