单例模式

本人学习java单例模式（Singleton pattern）做的笔记，拿出来分享给像我这样的菜鸟们。希望对菜鸟们有一点点的帮助。

本人参考了：Balan的文章 Java Singleton 实用教程（附源码）

原文地址：http://balan.iteye.com/blog/164873

一、定义

单例模式（Singleton pattern）:确保一个类只有一个实例，并提供一个全局的访问点。

这个定义包含两层意思：

第一：我们把某个类设计成自己管理的一个单独实例，同时也要避免其他类再自行产生实例。要想取得单个实例，通过单例类是唯一的途径。

第二：我们必需提供对这个实例的全局访问点：当你需要实例时，向类查询，它会给你返回单个实例。

注意：单例模式确保一个类只有一个实例，是指在特定系统范围内只能有一个实例。有时在某些情况下，使用Singleton并不能达到Singleton的目的，如有多个Singleton对象同时被不同的类装入器装载；在EJB这样的分布式系统中使用也要注意这种情况，因为EJB是跨服务器，跨JVM的。

1。某个框架容器内：如Spring IOC容器，可以通过配置保证实例在容器内的唯一性。

2。再如单一JVM中、单一类加载器加载类的情况可以保证实例的唯一性。

如果在两个类加载器或JVM中，可能他们有机会各自创建自己的单个实例，因为每个类加载器都定义了一个命名空间，如果有两个以上的类加载器，不同的类加载器可能会加载同一个类，从整个程序来看，同一个类会被加载多次。如果这样的事情发生在单例上，就会产后多个Singleton并存的怪异现象。所以如果你的程序有多个类加载,同时你又使用了单例模式，请一定要小心。有一个解决办法是，自行给单例类指定类加载器（指定同一个类加载器）。

二、用处

有一些对象其实我们完全只需要一个即可，如：线程池（threadpool）、缓存（cache）、注册表（registry)的对象、设备的驱动程序的对象等等。事实上，这些类的对象只能有一个实例，如果制造出多个实例，就会导致许多问题的产生，例如：程序的行为异常、资源的过量使用、产生不一致的结果等等。Java Singleton模式就为我们提供了这样实现的可能。使用Singleton的好处还在于可以节省内存，因为它限制了实例的个数，有利于Java垃圾回收（garbage collection）。我们常常看到工厂模式中类装入器(class loader)中也用Singleton模式实现的,因为被装入的类实际也属于资源。

三、Java Singleton模式常见的几种形式

一）。使用立即创建实例，而不用延迟实例化的做法

1。使用全局变量

//Singleton with final field
public class Singleton {
    public static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    private Singleton(){
    }
    //...Remainder omitted
}

//Singleton with final field
public class Singleton {
	public static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();
	private Singleton(){
	}
	//...Remainder omitted
}

 在这种方法中，公有静态成员是一个final域（保证了总是包含相同的对象引用）。私有构造函数仅被调用一次，用来实例化公有的静态final域 Singleton.uniqueInstace。由于缺少公有的或者受保护的构造函数，所有保证了Singleton的全局唯一性：一旦 Singleton类被实例化之后，只有一个Singleton实例存在——不多也不少。使用此Singleton类的程序员的任何行为都不能改变这一点。

2。使用公有的静态工厂方法

//Singleton with static factory
public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    private Singleton(){
    }
    public static Singleton getInSingleton(){
        return uniqueInstance;
    }
    //...Remainder omitted
}

//Singleton with static factory
public class Singleton {
	private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
	private Singleton(){
	}
	public static Singleton getInSingleton(){
		return uniqueInstance;
	}
	//...Remainder omitted
}

 第二种方法提供了一个公有的静态工厂方法，而不是公有的静态final域。利用这个做法，我们依赖JVM在加载这个类时马上创建此类唯一的一个实例。JVM保证任何线程访问uniqueInstance静态变量之前，一定先创建此实例。

二）。使用延迟实例化的做法（使用公有的静态工厂方法）

1。非线程安全的

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance ;
    private Singleton(){
    }
    public static Singleton getInSingleton(){
        if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
    //...Remainder omitted
}

public class Singleton {
	private static Singleton uniqueInstance ;
	private Singleton(){
	}
	public static Singleton getInSingleton(){
		if(uniqueInstance == null){
			uniqueInstance = new Singleton();
		}
		return uniqueInstance;
	}
	//...Remainder omitted
}

 先利用一个静态变量uniqueInstance来记录Singleton类的唯一实例，当我们要使用它的实例时，如果它不存在，就利用私有的构造器产生一个Singleton类的实例并把它赋值到uniqueInstance静态变量中。而如果我们不需要使用这个实例，它就永远不会产生。这就是"延迟实例化(lazy instantiaze)"。但上面这段程序在多线程环境中是不能保证单个实例的。分析如下：

时间点	线程1	线程2	uniqueInstance的值
1	线程1,2同时访问Singleton.getInstance()方法
2	进入Singleton.getInstance()方法		null
3		进入Singleton.getInstance()方法	null
4	执行if(uniqueInstance == null)判断		null
5		执行if(uniqueInstance == null)判断	null
6	执行uniqueInstance = new Singleton()		Singleton1
7		执行uniqueInstance = new Singleton()	Singleton2
8	执行return uniqueInstance;		Singleton1
9		执行return uniqueInstance;	Singleton2

如上分析所示，它已产生了两个Singleton实例。

2。多线程安全的

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance ;
    private Singleton(){
    }
    public synchronized static Singleton getInSingleton(){
        if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
    //...Remainder omitted
}

public class Singleton {
	private static Singleton uniqueInstance ;
	private Singleton(){
	}
	public synchronized static Singleton getInSingleton(){
		if(uniqueInstance == null){
			uniqueInstance = new Singleton();
		}
		return uniqueInstance;
	}
	//...Remainder omitted
}

 通过给getInstance()方法增加synchronized关键字，也就是给getInstance()方法线程加锁，迫使每次只能有一个线程在进入这个方法，这样就可以解决上面多线程产生的灾难了。但加锁的同步方法可能造成程序执行效率大幅度下降，如果你的程序对性能的要求很高，同时你的getInstance（）方法调用的很频繁，这时可能这种设计也不符合程序要求了。其实这种加锁同步的方法用在这确实有一定的问题存在，因为对 Singleton类来说，只有在第一次执行getInstance（）方法时，才真正的需要对方法进行加锁同步，因为一旦第一次设置好 uniqueInstance变量后，就不再需要同步这个方法了。之后每次调用这个方法，同步反而成了一种累赘。

3。 用"双重检查加锁",在getInstance()方法中减少使用同步:

public class Singleton {
    // volatile关键字确保当uniqueInstance变量被初始化成Singleton实例时,多个线程正确地处理uniqueInstance变量
    private volatile static Singleton uniqueInstance;
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInSingleton() {
        if (uniqueInstance == null) {// 检查实例,如是不存在就进行同步代码区
            synchronized (Singleton.class) {// 对其进行锁,防止两个线程同时进入同步代码区
                if (uniqueInstance == null) {// 双重检查,非常重要,如果两个同时访问的线程,当第一线程访问完同步代码区后,生成一个实例;当第二个已进入getInstance方法等待的线程进入同步代码区时,也会产生一个新的实例
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
    // ...Remainder omitted
}

public class Singleton {
	// volatile关键字确保当uniqueInstance变量被初始化成Singleton实例时,多个线程正确地处理uniqueInstance变量
	private volatile static Singleton uniqueInstance;
	private Singleton() {
	}

	public static Singleton getInSingleton() {
		if (uniqueInstance == null) {// 检查实例,如是不存在就进行同步代码区
			synchronized (Singleton.class) {// 对其进行锁,防止两个线程同时进入同步代码区
				if (uniqueInstance == null) {// 双重检查,非常重要,如果两个同时访问的线程,当第一线程访问完同步代码区后,生成一个实例;当第二个已进入getInstance方法等待的线程进入同步代码区时,也会产生一个新的实例
					uniqueInstance = new Singleton();
				}
			}
		}
		return uniqueInstance;
	}
	// ...Remainder omitted
}

对于双重检查加锁（Double-Checked Locking）有一篇文章解释的很深入：http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

三。Sington类的序列化

为了使Singleton类变成可序列化的(serializable)，仅仅实现Serializable接口是不够的。为了维护 Singleton的单例性，你必须给Singleton类提供一个readResolve方法，否则的话，一个序列化的实例，每次反序列化的时候都会产生一个新的实例。Singleton 也不会例外。

如下所示：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;

//Singleton with final field
public class Singleton implements Serializable{

    private static final long serialVersionUID = 5765648836796281035L;
    public static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    private Singleton(){
    }
    //...Remainder omitted
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //序列化
         ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\Singleton.obj"));
         Singleton singleton = Singleton.uniqueInstance;
         objectOutputStream.writeObject(singleton);
         objectOutputStream.close();
         //反序列化
         ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\Singleton.obj"));
         Singleton singleton2 = (Singleton)objectInputStream.readObject();
         objectInputStream.close();
         //比较是否原来的实例
         System.out.println(singleton==singleton2);
   }
}

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.ObjectInputStream;
import java.io.ObjectOutputStream;
import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;

//Singleton with final field
public class Singleton implements Serializable{

	private static final long serialVersionUID = 5765648836796281035L;
	public static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();
	private Singleton(){
	}
	//...Remainder omitted
	public static void main(String[] args) throws Exception{
        //序列化
         ObjectOutputStream objectOutputStream = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D:\\Singleton.obj"));
         Singleton singleton = Singleton.uniqueInstance;         
         objectOutputStream.writeObject(singleton);
         objectOutputStream.close();
         //反序列化
         ObjectInputStream objectInputStream = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D:\\Singleton.obj"));
         Singleton singleton2 = (Singleton)objectInputStream.readObject();
         objectInputStream.close();
         //比较是否原来的实例
         System.out.println(singleton==singleton2);
   } 
}

 输出结果为:false

解决方法是为Singleton类增加readResolve()方法：

//readResolve 方法维持了Singleton的单例属性
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException{
        return uniqueInstance;
    }

//readResolve 方法维持了Singleton的单例属性
	private Object readResolve() throws ObjectStreamException{
        return uniqueInstance;
    }

 再进行测试：输出结果为true

 

反序列化之后新创建的对象会先调用此方法，该方法返回的对象引用被返回，取代了新创建的对象。本质上，该方法忽略了新建对象，仍然返回类初始化时创建的那个实例。