JAVA实现的单例模式

一、前言

   常常同事在一块儿聊单例模式，所在项目中也是各类方式实现的单例模式，有的仍是漏洞百出，各类面试也会问到，但是真的细究发现本身并无一个完善的认识，今天就单例模式整理下。

二、什么是单例模式

    单例对象的类必须保证只有一个实例存在——这是维基百科上对单例的定义，这也能够做为对意图实现单例模式的代码进行检验的标准。

     对单例的实现能够分为两大类——懒汉式和饿汉式，他们的区别在于：懒汉式：指全局的单例实例在第一次被使用时构建。饿汉式：指全局的单例实例在类装载时构建。

    从它们的区别也能看出来，平常咱们使用的较多的应该是懒汉式的单例，毕竟按需加载才能作到资源的最大化利用嘛~

三、懒汉式单例

常常会问应聘者：“知道设计模式，简单介绍下？”应聘者：“单例模式.....就是JVM中保持只有一个的实例，实现方式就是把构造方法私有，本身实现一个获取方法.....”。嗯，看来你们的单例模式都是懒汉式了。那就先讲讲懒汉式吧，其实无论怎么个实现，仍是那句话--为了保证单例对象的类必须只有一个实例存在。那下面就谈谈懒汉式的演变。

3.1简单版本

看最简单的写法Version 1：

/**
 * 简单版本的单例模式
 * Created by zhangyhk on 2017/5/16.
 */
public class Single1 {
    private static Single1 instance;
    public static Single1 getInstance(){
        if(null==instance){
            instance = new Single1();
        }
        return instance;
    }
}

或者再进一步，把构造器改成私有的，这样可以防止被外部的类调用。

/**
 * 简单版本的单例模式
 * 构造方法私有
 * Created by zhangyhk on 2017/5/16.
 */
public class Single1 {
    private static Single1 instance;
    private Single1(){};
    public static Single1 getInstance(){
        if(null==instance){
            instance = new Single1();
        }
        return instance;
    }
}

每次获取instance以前先进行判断，若是instance为空就new一个出来，不然就直接返回已存在的instance。这种写法在大多数的时候也是没问题的。问题在于，当多线程工做的时候，若是有多个线程同时运行到if (instance == null)，都判断为null，那么两个线程就各自会建立一个实例——这样一来，就不是单例了。

3.2 synchronized版本

     既然可能由于多线程有问题，那么就加锁吧，java处理多线程问题，就是加锁，在大多数状况下都是“synchronized”关键字，我常常会问StringBuilder和StringBuffer哪一个是线程安全的？为何？大多数会回答StringBuffer但是“为何？”都回答的不是很好，其实JDK里大部分的线程安全实现方式都是加“synchronized”，固然还有别的实现方式这里就不详细说了。

     修改后的代码以下，相对于Version1.1，只是在方法签名上多加了一个synchronized：

/**
 * 简单版本的单例模式
 * Created by zhangyhk on 2017/5/16.
 */
public class Single2 {
    private static Single2 instance;
    private Single2(){};
    public static synchronized Single2 getInstance(){
        if (null==instance){
            instance = new Single2();
        }
        return instance;
    }
}

    OK，加上synchronized关键字以后，getInstance方法就会锁上了。若是有两个线程（T一、T2）同时执行到这个方法时，会有其中一个线程T1得到同步锁，得以继续执行，而另外一个线程T2则须要等待，当第T1执行完毕getInstance以后（完成了null判断、对象建立、得到返回值以后），T2线程才会执行执行。——因此这端代码也就避免了Version1中，可能出现由于多线程致使多个实例的状况。

    我相信很快就会有小伙伴提出问题了“这个效率会不会很低啊？”每次获取都会有锁，建立只有一次，咱们是为了保证建立一个类的实例对象，获取的动做远远大于建立的次数，实际上会对程序的执行效率形成负面影响。

3.3 双重检查（Double-Check）版本

Version2代码相对于Version1d代码的效率问题，实际上是为了解决1%概率的问题，而使用了一个100%出现的防御盾。那有一个优化的思路，就是把100%出现的防御盾，也改成1%的概率出现，使之只出如今可能会致使多个实例出现的地方。——有没有这样的方法呢？固然是有的，改进后的代码：

/**
 * 双重检查（Double-Check）的单例模式
 * Created by zhangyhk on 2017/5/18.
 */
public class Single3 {
    private static Single3 instance;
    private void Single3() {};
    public static Single3 getInstance() {
        if (null == instance) {
            synchronized (Single3.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new Single3();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这个版本的代码看起来有点复杂，注意其中有两次if (instance == null)的判断，这个叫作『双重检查 Double-Check』。

• 第一个if (instance == null)，实际上是为了解决Version2中的效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段——大大减小了概率。

• 第二个if (instance == null)，则是跟Version2同样，是为了防止可能出现多个实例的状况。

知识点：原子操做

    谈到加锁，为了保证效率不得不考虑的问题--原子操做。那什么是原子操做呢。

    简单来讲，原子操做（atomic）就是不可分割的操做，在计算机中，就是指不会由于线程调度被打断的操做。好比，简单的赋值是一个原子操做：

            m = 6; // 这是个原子操做

    假如m原先的值为0，那么对于这个操做，要么执行成功m变成了6，要么是没执行m仍是0，而不会出现诸如m=3这种中间态——即便是在并发的线程中。

    而，声明并赋值就不是一个原子操做：

           int n = 6; // 这不是一个原子操做

    对于这个语句，至少有两个操做：

         ①声明一个变量n

         ②给n赋值为6——这样就会有一个中间状态：变量n已经被声明了可是尚未被赋值的状态。——这样，在多线程中，因为线程执行顺序的不肯定性，若是两个线程都使用m，就可能会致使不稳定的结果出现。

知识点：指令重排

      咱们再来了解一个知识点吧

      简单来讲，就是计算机为了提升执行效率，会作的一些优化，在不影响最终结果的状况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。好比，这一段代码： 

int a;//语句一
    a = 8;//语句二
    int b = 9;//语句三
    int c = a+b;//语句四

    正常来讲，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。可是，因为指令重排的缘由，由于不影响最终的结果，因此，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。因为语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分红原子操做，再重排。——也就是说，对于非原子性的操做，在不影响最终结果的状况下，其拆分红的原子操做可能会被从新排列执行顺序。

   OK，了解了原子操做和指令重排的概念以后，咱们再继续看Version3代码的问题。下面这段话直接从陈皓的文章(深刻浅出单实例SINGLETON设计模式)中复制而来：

主要在于singleton = new Singleton()这句，这并不是是一个原子操做，事实上在 JVM 中这句话大概作了下面 3 件事情。

• 给 singleton 分配内存

• 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，造成实例

• 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了），可是在 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，最终的执行顺序多是 1-2-3 也多是 1-3-2。若是是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行以前，被线程二抢占了，这时 instance 已是非 null 了（但却没有初始化），因此线程二会直接返回 instance，而后使用，而后瓜熟蒂落地报错。

3.4 终极版本：volatile

    对于Version3中可能出现的问题（固然这种几率已经很是小了，但毕竟仍是有的嘛~），解决方案是：只须要给instance的声明加上volatile关键字便可，

/**
 * 终极版本：volatile的单例模式
 * Created by zhangyhk on 2017/5/18.
 */
public class Single4 {
    private static volatile Single4 instance;
    private void Single4() {};
    public static Single4 getInstance() {
        if (null == instance) {
            synchronized (Single4.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new Single4();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

    volatile关键字的一个做用是禁止指令重排，把instance声明为volatile以后，对它的写操做就会有一个内存屏障（什么是内存屏障？），这样，在它的赋值完成以前，就不用会调用读操做。

    注意：volatile阻止的不singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操做（[1-2-3]）完成以前，不会调用读操做（if (instance == null)）。

——也就完全防止了Version3中的问题发生。——好了，如今完全没什么问题了吧？好了，别紧张，的确没问题了。大名鼎鼎的EventBus中，其入口方法EventBus.getDefault()就是用这种方法来实现的。不过，非要挑点刺的话仍是能挑出来的，就是这个写法有些复杂了，不够优雅、简洁。

 4. 饿汉式单例

    下面再聊了解一下饿汉式的单例。

    如上所说，饿汉式单例是指：指全局的单例实例在类装载时构建的实现方式。

    因为类装载的过程是由类加载器（ClassLoader）来执行的，这个过程也是由JVM来保证同步的，因此这种方式先天就有一个优点——可以免疫许多由多线程引发的问题。

 4.1 饿汉式单例的实现方式

    饿汉式单例的实现以下：

/**
 * 饿汉式单例模式
 * Created by zhangyhk on 2017/5/18.
 */
public class Single5 {
    private static final Single5  instance = new Single5();
    private void Single5(){};
    public static Single5 getInstance(){
        return instance;
    }
}

对于一个饿汉式单例的写法来讲，它基本上是完美的了。因此它的缺点也就只是饿汉式单例自己的缺点所在了——因为INSTANCE的初始化是在类加载时进行的，而类的加载是由ClassLoader来作的，因此开发者原本对于它初始化的时机就很难去准确把握：

    一、可能因为初始化的太早，形成资源的浪费

    二、若是初始化自己依赖于一些其余数据，那么也就很难保证其余数据会在它初始化以前准备好。

知识点：何时是类装载时？

前面提到了单例在类装载时被实例化，那究竟何时才是『类装载时』呢？

不严格的说，大体有这么几个条件会触发一个类被加载：

一、new一个对象时

二、使用反射建立它的实例时

三、子类被加载时，若是父类还没被加载，就先加载父类

四、jvm启动时执行的主类会首先被加载

 

 

5. 一些其余的实现方式

5.1 Effective Java 1 —— 静态内部类

《Effective Java》一书的初版中推荐了一个中写法：

/**
 * 静态内部类单例模式
 * Created by zhangyhk on 2017/5/18.
 */
public class Single6 {
    private static class Single6Holder{
        private static final Single6 INSTANCE = new Single6();
    }
    private Single6(){};

    public static final Single6 getInstance(){
        return Single6Holder.INSTANCE;
    }
}

这种写法很是巧妙：

• 对于内部类SingletonHolder，它是一个饿汉式的单例实现，在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步，使INSTANCE是一个真·单例。

• 同时，因为SingletonHolder是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，因此它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候，简直是神乎其技。

    5.2 Effective Java 2 —— 枚举

/**
 * 枚举类式单例模式
 * Created by zhangyhk on 2017/5/18.
 */
public enum Single7 {
    INSTANCE;
    private List<String> ll =new ArrayList<String>();
    public void fun1(){
        //干一些事情
    }
//    Single7 ss = Single7.INSTANCE;
//    ss.fun1();
}

你觉得到这就算完了？不，并无，由于厉害的大神又发现了其余的方法。《Effective Java》的做者在这本书的第二版又推荐了另一种方法，来直接看代码：

看到了么？这是一个枚举类型……连class都不用了，极简。因为建立枚举实例的过程是线程安全的，因此这种写法也没有同步的问题。

做者对这个方法的评价：

    这种写法在功能上与共有域方法相近，可是它更简洁，无偿地提供了序列化机制，绝对防止对此实例化，即便是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这中方法尚未普遍采用，可是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

    枚举单例这种方法问世一些，许多分析文章都称它是实现单例的最完美方法——写法超级简单，并且又能解决大部分的问题。不过我我的认为这种方法虽然很优秀，可是它仍然不是完美的——好比，在须要继承的场景，它就不适用了。