单例模式详解

在Java开发过程当中，不少场景下都会碰到或要用到单例模式，在设计模式里也是常常做为指导学习的热门模式之一，相信每位开发同事都用到过。咱们老是沿着前辈的足迹去作设定好的思路，每每没去探究为什么这么作，因此这篇文章对单例模式作了详解。

1、单例模式定义：

单例模式确保某个类只有一个实例，并且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具备资源管理器的功能。每台计算机能够有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以免两个打印做业同时输出到打印机中。每台计算机能够有若干通讯端口，系统应当集中管理这些通讯端口，以免一个通讯端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了不不一致状态，避免政出多头。

2、单例模式特色：
　　一、单例类只能有一个实例。
　　二、单例类必须本身建立本身的惟一实例。
　　三、单例类必须给全部其余对象提供这一实例。

单例模式保证了全局对象的惟一性，好比系统启动读取配置文件就须要单例保证配置的一致性。

3、线程安全的问题

一方面在获取单例的时候，要保证不能产生多个实例对象，后面会详细讲到五种实现方式；

另外一方面，在使用单例对象的时候，要注意单例对象内的实例变量是会被多线程共享的，推荐使用无状态的对象，不会由于多个线程的交替调度而破坏自身状态致使线程安全问题，好比咱们经常使用的VO，DTO等（局部变量是在用户栈中的，并且用户栈自己就是线程私有的内存区域，因此不存在线程安全问题）。

4、单例模式的选择

还记得咱们最先使用的MVC框架Struts1中的action就是单例模式的，而到了Struts2就使用了多例。在Struts1里，当有多个请求访问，每一个都会分配一个新线程，在这些线程，操做的都是同一个action对象，每一个用户的数据都是不一样的，而action却只有一个。到了Struts2， action对象为每个请求产生一个实例，并不会带来线程安全问题（实际上servlet容器给每一个请求产生许多可丢弃的对象，可是并无影响到性能和垃圾回收问题，有时间会作下研究）。

5、实现单例模式的方式

1.饿汉式单例（当即加载方式）

// 饿汉式单例
public class Singleton1 {
    // 私有构造
    private Singleton1() {}

    private static Singleton1 single = new Singleton1();

    // 静态工厂方法
    public static Singleton1 getInstance() {
        return single;
    }
}

饿汉式单例在类加载初始化时就建立好一个静态的对象供外部使用，除非系统重启，这个对象不会改变，因此自己就是线程安全的。

Singleton经过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的惟一实例只能经过getInstance()方法访问。（事实上，经过Java反射机制是可以实例化构造方法为private的类的，那基本上会使全部的Java单例实现失效。此问题在此处不作讨论，姑且闭着眼就认为反射机制不存在。）

2.懒汉式单例（延迟加载方式）

// 懒汉式单例
public class Singleton2 {

    // 私有构造
    private Singleton2() {}

    private static Singleton2 single = null;

    public static Singleton2 getInstance() {
        if(single == null){
            single = new Singleton2();
        }
        return single;
    }
}

该示例虽然用延迟加载方式实现了懒汉式单例，但在多线程环境下会产生多个single对象，如何改造请看如下方式:

使用synchronized同步锁

public class Singleton3 {
    // 私有构造
    private Singleton3() {}

    private static Singleton3 single = null;

    public static Singleton3 getInstance() {
        
        // 等同于 synchronized public static Singleton3 getInstance()
        synchronized(Singleton3.class){
          // 注意：里面的判断是必定要加的，不然出现线程安全问题
            if(single == null){
                single = new Singleton3();
            }
        }
        return single;
    }
}

在方法上加synchronized同步锁或是用同步代码块对类加同步锁，此种方式虽然解决了多个实例对象问题，可是该方式运行效率却很低下，下一个线程想要获取对象，就必须等待上一个线程释放锁以后，才能够继续运行。

public class Singleton4 {
    // 私有构造
    private Singleton4() {}
    
    //重点注意volatile
    private static volatile Singleton4 single = null;

    // 双重检查
    public static Singleton4 getInstance() {
        if (single == null) {   //操做①第一次检查
            synchronized (Singleton4.class) {
                if (single == null) {   //操做②第二次检查
                    single = new Singleton4(); //操做③
                }
            }
        }
        return single;
    }
}

使用双重检查进一步作了优化，能够避免整个方法被锁，只对须要锁的代码部分加锁，能够提升执行效率。

操做③能够分解为几个独立的子操做：

objRef = allocate(Singleton4.class);//子操做①：分配存储空间
invokeConstructor(objRef);//子操做②：初始化objRef引用的对象
single = objRef;//子操做③：将对象引用写入共享变量

根据锁的重排序规则，临界区内的操做能够在临界区内被重排。因此，JIN编译器可能将上述子操做重排为：①->③->②，即在初始化对象以前将对象的引用写入实例变量single。因为锁对有序性的保障是有条件的，而操做①（第一次检查）读取single变量时没有加锁，所以上述重排序对操做①的执行线程是有影响的：该线程可能看到一个未初始化（或未初始化完成）的实例，即变量single的值不是null，可是该变量所引用的对象中的某些实例变量的变量值可能仍为默认值，而不是构造器中设置的初始值。也就是说，一个线程在执行操做①的时候发现single不为null，因而该线程就直接返回这个single变量锁引用的实例，而这个实例多是未初始化完成的，这就可能致使错误。

解决：如上的重点注意，加上volatile关键字。

3.静态内部类实现

public class Singleton6 {
    // 私有构造
    private Singleton6() {}

    // 静态内部类
    private static class InnerObject{
        private static Singleton6 single = new Singleton6();
    }
    
    public static Singleton6 getInstance() {
        return InnerObject.single;
    }
}

静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性，可是在遇到序列化对象时，默认的方式运行获得的结果就是多例的。这种状况很少作说明了，使用时请注意。

4.static静态代码块实现

public class Singleton6 {
    
    // 私有构造
    private Singleton6() {}
    
    private static Singleton6 single = null;

    // 静态代码块
    static{
        single = new Singleton6();
    }
    
    public static Singleton6 getInstance() {
        return single;
    }
}

5.内部枚举类实现

public class SingletonFactory {
    
    // 内部枚举类
    private enum EnmuSingleton{
        Singleton;
        private Singleton8 singleton;
        
        //枚举类的构造方法在类加载是被实例化 
        private EnmuSingleton(){
            singleton = new Singleton8();
        }
        public Singleton8 getInstance(){
            return singleton;
        }
    }
    public static Singleton8 getInstance() {
        return EnmuSingleton.Singleton.getInstance();
    }
}

class Singleton8{
    public Singleton8(){}
}

以上就是本文要介绍的全部单例模式的理解和实现，相信这篇文章能让你们更清楚的理解单例模式，但愿你们有问题能够探讨，多多指教！

备注：本文单例实现部分，实例源码参照《Java多线程编程核心技术》-（高洪岩）一书中第六章的学习案例撰写。 《java多线程编程实战指南 核心篇》 - （黄文海）