单例模式(Singleton)的多种写法和分析

单例模式算是设计模式中最容易理解，也是最容易手写代码的模式，但是坑却不少。一般来说，单例模式有五种写法：懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。上述所说都是线程安全的实现。下面对这几种实现分别做详细分析。

懒汉式，线程不安全

教科书上标准的写法如下：

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

这段代码简单明了，而且使用了懒加载模式，但是却存在致命的问题。当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候，就会创建多个实例。也就是说在多线程下不能正常工作。

懒汉式，线程安全

为了解决上面的问题，最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步（synchronized）。如下：

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

虽然做到了线程安全，并且解决了多实例的问题，但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要，即第一次创建单例实例对象时。这就引出了双重检验锁。

双重检验锁

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，因为会有两次检查 instance == null，一次是在同步块外，一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次？因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if，如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

public class Singleton {
    private static Singleton instance ;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         //Single Checked
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {                 //Double Checked
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance ;
    }
}

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题。主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

1、给 instance 分配内存
2、调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
3、将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {
       //申明成volatile 类型
    private volatile  static Singleton instance ;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         //Single Checked
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {                 //Double Checked
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance ;
    }
}

特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式，当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

饿汉式 static final field

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

public class Singleton{
    //类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

这种写法的缺点：

它不是一种懒加载模式（lazy initialization），单例会在加载类后一开始就被初始化，即使客户端没有调用 getInstance()方法。饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用：譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的，在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就无法使用了。

静态内部类 static nested class

静态内部类的方法，这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

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

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

枚举 Enum

用枚举写单例实在太简单了！这也是它最大的优点。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法。

public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

应用场景

• 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
• 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点，除了该公共访问点，不能通过其他途径访问该实例。
• 由于配置文件一般都是共享资源，即web应用的配置对象的读取，一般采用单例模式来实现。如：spring的配置文件的读取等
• 创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象
  需要频繁实例化然后销毁的对象。

优点

• 由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。

• 由于单例模式只生成一个实例，所以减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决；

• 单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件动作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。

• 单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

缺点

• 单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。

运用单例模式读取配置文件

在系统运行中，有很多地方都需要使用配置文件的内容，也就是很多地方都需要创建AppConfig这个对象的实例。如果每次读取配置文件都new一个新的对象将造成资源的浪费，所以将AppConfig设计成单例模式。

1、用静态内部类的方式实现

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.Properties;

public class AppConfig {
    
     private static class SingletonHolder {  
            private static final AppConfig INSTANCE = new AppConfig();  
        }  

     public static final AppConfig getInstance() {  
            return SingletonHolder.INSTANCE; 
        }  
     
    /**
     * 私有化构造方法
     */  
    private AppConfig(){  
        //调用读取配置文件的方法  
        readConfig();  
    }  
     
    /**
     * 用来存放配置文件中参数A的值
     */  
    private String parameterA;  
    /**
     * 用来存放配置文件中参数B的值
     */  
    private String parameterB;  
    
    public String getParameterA() {  
        return parameterA;  
    }  
    
    public String getParameterB() {  
        return parameterB;  
    }  
    
   
    /**
     * 读取配置文件，把配置文件中的内容读出来设置到属性上
     */  
    private void readConfig(){  
        Properties p = new Properties();  
        InputStream in = null;  
        try {  
            in = AppConfig.class.getResourceAsStream("AppConfig.properties");  
            p.load(in);  
            //把配置文件中的内容读出来设置到属性上  
            this.parameterA = p.getProperty("paramA");  
            this.parameterB = p.getProperty("paramB");  
        } catch (IOException e) {  
            System.out.println("装载配置文件出错了，具体堆栈信息如下：");  
            e.printStackTrace();  
        } finally {  
            try {  
                in.close();  
            } catch (IOException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
    }
}

2、用枚举的方式实现

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.Properties;

public enum AppConfigEnu1  {
   INSTANCE;
   
   private AppConfigEnu1() {
       readConfig();
       System.out.println("-----调用了构造方法-----");
   }
  
   /**
    * 读取配置文件，把配置文件中的内容读出来设置到属性上
    */  
   private void readConfig(){  
       Properties p = new Properties();  
       InputStream in = null;  
       try {  
           in = AppConfigEnu1.class.getResourceAsStream("AppConfig.properties");  
           p.load(in);  
           //把配置文件中的内容读出来设置到属性上  
           this.parameterA = p.getProperty("paramA");  
           this.parameterB = p.getProperty("paramB");  
       } catch (IOException e) {  
           System.out.println("装载配置文件出错了，具体堆栈信息如下：");  
           e.printStackTrace();  
       } finally {  
           try {  
               in.close();  
           } catch (IOException e) {  
               e.printStackTrace();  
           }  
       }  
   }

   /**
    * 用来存放配置文件中参数A的值
    */  
   private String parameterA;  
   /**
    * 用来存放配置文件中参数B的值
    */  
   private String parameterB;  
   
   public String getParameterA() {  
       return parameterA;  
   }  
   
   public String getParameterB() {  
       return parameterB;  
   }  
}

测试枚举的方式：

public class Client {

    public static void main(String[] args) {  
        //创建读取应用配置的对象  
        System.out.println(AppConfigEnu1.INSTANCE.getParameterA());
        System.out.println(AppConfigEnu1.INSTANCE.getParameterB());
        System.out.println("************************");
        System.out.println(AppConfigEnu1.INSTANCE.getParameterA());
        System.out.println(AppConfigEnu1.INSTANCE.getParameterB());
    }
}

运行结果如下：

 

运行结果

从运行结果中可以看出，虽然调用了两次实例对象，但是构造函数只调用了一次，也就是只创建了一个实例。

作者：家有诗书
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