前言
個(gè)人認(rèn)為單例模式是設(shè)計(jì)模式中最簡單也是最常用的一種，是對(duì)有限資源合理利用的一種方式。這個(gè)模式看似簡單，但是其中蘊(yùn)含了關(guān)于并發(fā)、類加載、序列化等一系列深層次的知識(shí)，如果理解不夠深，就有可能在高并發(fā)時(shí)遇到難以預(yù)期的異常，或者會(huì)造成資源浪費(fèi)。
所以本文會(huì)從將目前Java領(lǐng)域最常用的幾種單例模式列出來，供大家參考。
WHAT
維基百科給出了解釋、實(shí)現(xiàn)的思路以及應(yīng)該注意的地方:
單例模式，也叫單子模式，是一種常用的軟件設(shè)計(jì)模式，屬于創(chuàng)建型模式的一種。在應(yīng)用這個(gè)模式時(shí)，單例對(duì)象的類必須保證只有一個(gè)實(shí)例存在。
實(shí)現(xiàn)單例模式的思路是：一個(gè)類能返回對(duì)象一個(gè)引用(永遠(yuǎn)是同一個(gè))和一個(gè)獲得該實(shí)例的方法（必須是靜態(tài)方法，通常使用getInstance這個(gè)名稱）；當(dāng)我們調(diào)用這個(gè)方法時(shí)，如果類持有的引用不為空就返回這個(gè)引用，如果類保持的引用為空就創(chuàng)建該類的實(shí)例并將實(shí)例的引用賦予該類保持的引用；同時(shí)我們還將該類的構(gòu)造函數(shù)定義為私有方法，這樣其他處的代碼就無法通過調(diào)用該類的構(gòu)造函數(shù)來實(shí)例化該類的對(duì)象，只有通過該類提供的靜態(tài)方法來得到該類的唯一實(shí)例。
單例模式在多線程的應(yīng)用場(chǎng)合下必須小心使用。如果當(dāng)唯一實(shí)例尚未創(chuàng)建時(shí)，有兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用創(chuàng)建方法，那么它們同時(shí)沒有檢測(cè)到唯一實(shí)例的存在，從而同時(shí)各自創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)例，這樣就有兩個(gè)實(shí)例被構(gòu)造出來，從而違反了單例模式中實(shí)例唯一的原則。解決這個(gè)問題的辦法是為指示類是否已經(jīng)實(shí)例化的變量提供一個(gè)互斥鎖(雖然這樣會(huì)降低效率)。
類圖是：
WHY
正如定義所說，單例模式就是整個(gè)內(nèi)存模型中，只有一個(gè)實(shí)例。實(shí)例少了，內(nèi)存占用就少。同時(shí)，只有一個(gè)實(shí)例，也就只需要構(gòu)建一個(gè)對(duì)象，計(jì)算就少。對(duì)于構(gòu)造過程中需要大量計(jì)算或者占用大量資源的對(duì)象，只創(chuàng)建一次，就減少了資源占用和內(nèi)存占用。
餓漢式
餓漢式是最簡單的一種實(shí)現(xiàn)，在類裝載過程中，完成實(shí)例化，避免多線程問題。
實(shí)現(xiàn)一：靜態(tài)實(shí)例參數(shù)與靜態(tài)代碼塊
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public class EagerSingleton { private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton(); private EagerSingleton() { } public static EagerSingleton getInstance() { return INSTANCE; }} |
根據(jù)java的特性，餓漢式還可以變種寫法，有的地方稱為靜態(tài)代碼塊方式：
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public class EagerSingleton { private static EagerSingleton INSTANCE = null; static { INSTANCE = new EagerSingleton(); } private EagerSingleton() { } public static EagerSingleton getInstance() { return INSTANCE; }} |
這兩種方式只是在寫法上的區(qū)別，優(yōu)缺點(diǎn)沒有區(qū)別，只是借助Java語言特性的不同寫法，所以歸為一類。
餓漢式有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)：
- 類裝載過程即完成實(shí)例化，如果整個(gè)應(yīng)用生命周期內(nèi)，實(shí)例沒有使用，也就是浪費(fèi)資源了。
- 因?yàn)闆]有辦法向構(gòu)造函數(shù)傳遞不同的參數(shù)，如果需要通過個(gè)性化參數(shù)定制實(shí)例時(shí)，這種方式就不支持了。
實(shí)現(xiàn)二：靜態(tài)內(nèi)部類
針對(duì)餓漢式第一個(gè)缺點(diǎn)，我們可以借助靜態(tài)內(nèi)部類的方式，將對(duì)象實(shí)例化的時(shí)間延后。
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public class EagerSingleton { private EagerSingleton() { } private static class EagerSingletonInstance { private static final EagerSingleton INSTANCE = new EagerSingleton(); } public static EagerSingleton getInstance() { return EagerSingletonInstance.INSTANCE; }} |
但是，依然不能很好的解決第二個(gè)缺點(diǎn)，如果需要根據(jù)不同的參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)例，可以采用下面說的懶漢式實(shí)現(xiàn)。
懶漢式
懶漢式比餓漢式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是能夠在使用的時(shí)候再進(jìn)行實(shí)例化。但是，餡餅總是要伴隨著陷阱，懶漢式寫法有更多的坑，一不小心就摔著了。
錯(cuò)誤一：單線程實(shí)現(xiàn)
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public class LazySingleton { private static LazySingleton INSTANCE = null; private LazySingleton() { } public static LazySingleton getInstance() { if (INSTANCE == null) { INSTANCE = new LazySingleton(); } return INSTANCE; }} |
之所以定義為單線程實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)?INSTANCE==null這個(gè)判斷，一個(gè)線程通過這個(gè)判斷，開始進(jìn)行對(duì)象實(shí)例化，但是還沒有實(shí)例化完成，另一個(gè)線程又來了，這個(gè)時(shí)候，對(duì)象還沒有實(shí)例化，就也會(huì)開始進(jìn)行實(shí)例化，造成不必要的浪費(fèi)。
錯(cuò)誤二：同步方法
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public class LazySingleton { private static LazySingleton INSTANCE = null; private LazySingleton() { } public static synchronized LazySingleton getInstance() { if (INSTANCE == null) { INSTANCE = new LazySingleton(); } return INSTANCE; }} |
這種方式解決了多線程的問題，但是也引入了新的性能問題：太慢。synchronized把整個(gè)方法包起來，也就是每個(gè)線程進(jìn)入的時(shí)候，都需要等待其他線程結(jié)束調(diào)用，才能拿到實(shí)例，在性能敏感的場(chǎng)景，是比較致命的。
錯(cuò)誤三：同步代碼塊之單次檢查
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public class LazySingleton { private static LazySingleton INSTANCE = null; private LazySingleton() { } public static LazySingleton getInstance() { if (INSTANCE == null) { synchronized (LazySingleton.class) { INSTANCE = new LazySingleton(); } } return INSTANCE; }} |
這種寫法看似將同步代碼縮小，但也縮小了多線程保障，也犯了第一種寫法的錯(cuò)誤，屬于沒有對(duì)多線程有基本了解寫出的低級(jí)錯(cuò)誤代碼。
錯(cuò)誤四：同步代碼塊之雙重檢查
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public class LazySingleton { private static LazySingleton INSTANCE = null; private LazySingleton() { } public static LazySingleton getInstance() { if (INSTANCE == null) { synchronized (LazySingleton.class) { if (INSTANCE == null) { INSTANCE = new LazySingleton(); } } } return INSTANCE; }} |
這種寫法在一定程度上屬于正確的寫法，雙重判斷可以很好的實(shí)現(xiàn)線程安全和延遲加載。如果到這里就結(jié)束，那就是謬以千里的毫厘之差。
雙重檢查和同步代碼塊都沒有問題，問題出在 INSTANCE=newLazySingleton()這句話。在JVM中，為了充分利用CPU計(jì)算能力，會(huì)進(jìn)行重排序優(yōu)化， INSTANCE=newLazySingleton()做了三件事：
- 為 INSTANCE 初始化棧空間
- 為 LazySingleton 分配內(nèi)存空間，實(shí)例化對(duì)象
- INSTANCE 指向 LazySingleton 實(shí)例分配的內(nèi)存空間
因?yàn)橹嘏判騼?yōu)化的存在，真正執(zhí)行的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)1-2-3的順序，也可能出現(xiàn)1-3-2的順序。如果是1-3-2，INSTANCE 指向了 LazySingleton 實(shí)例分配的內(nèi)存空間后，就不是null，另外一個(gè)線程進(jìn)入判斷null時(shí)，就會(huì)直接返回 INSTANCE，但是這個(gè)時(shí)候 LazySingleton 實(shí)例化還沒有完成，就可能出現(xiàn)意想不到的異常。
正確：雙重檢查+阻止重排序
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public class LazySingleton { private static volatile LazySingleton INSTANCE = null; private LazySingleton() { } public static LazySingleton getInstance() { if (INSTANCE == null) { synchronized (LazySingleton.class) { if (INSTANCE == null) { INSTANCE = new LazySingleton(); } } } return INSTANCE; }} |
這種寫法比上面那種，就差在 volatile這個(gè)關(guān)鍵字。
枚舉
懶漢式和餓漢式都能夠適用于多線程并發(fā)場(chǎng)景，但是通過反序列化或反射可以實(shí)例化對(duì)象，這樣依然不能滿足單例模式的要求，所以可以借助枚舉實(shí)現(xiàn)，枚舉可以完美避免多線程并發(fā)問題，而且可以防止反序列化和反射創(chuàng)建新對(duì)象。第一次看到這樣定義單例模式，是在《Effective Java》中，多讀經(jīng)典書還是挺好的。
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public enum EnumSingleton { INSTANCE; public void method1() { // do something } public Object method2() { // do something and return something else return new Object(); }} |
在開發(fā)實(shí)踐中，枚舉可以滿足絕大部分場(chǎng)景，而且寫法簡單，定義單例的邏輯只需要三行代碼，簡潔而不簡單，三行代碼可以保證線程安全。同時(shí)枚舉的反序列化只是通過name查找對(duì)象，不會(huì)產(chǎn)生新的對(duì)象；根據(jù)JVM規(guī)范，通過反射創(chuàng)建枚舉對(duì)象時(shí)，會(huì)拋出 IllegalArgumentException異常。這樣，相當(dāng)于通過語法糖防止反序列化和反射破壞單例。
場(chǎng)景
- 無狀態(tài)工具類：這種工具類不需要記錄狀態(tài)，只保證正確的應(yīng)用就行，可以通過單例模式來定義。
- 數(shù)據(jù)共享：即多個(gè)不相關(guān)的兩個(gè)線程或者進(jìn)程之間實(shí)現(xiàn)通信。因?yàn)槭且粋€(gè)實(shí)例，如果它的屬性或者變量值被修改，所有引用都是同時(shí)修改的，當(dāng)然需要 volatile 來定義變量。比如網(wǎng)站的計(jì)數(shù)器。
- 日志應(yīng)用：通常應(yīng)用會(huì)向日志文件寫日志信息，為了實(shí)時(shí)向文件寫，通常會(huì)使用單例模式，保證有一個(gè)實(shí)例持有文件，然后進(jìn)行操作。
- 數(shù)據(jù)庫連接池：數(shù)據(jù)庫連接是一種數(shù)據(jù)庫資源，使用數(shù)據(jù)庫連接池，主要是節(jié)省打開或者關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接所引起的效率損耗，這種效率上的損耗還是非常昂貴的，通過單例模式來維護(hù)，就可以大大降低這種損耗。
- Web應(yīng)用的配置對(duì)象：讀取文件需要消耗時(shí)間，如果讀取大文件，消耗的時(shí)間和資源更久，所以通過單例模式可以大大降低消耗。
- 。。。
單例模式的場(chǎng)景還是比較多的，這里只是列出里幾個(gè)簡單的應(yīng)用場(chǎng)景，算是拋磚引玉，如果看官們有什么其他應(yīng)用場(chǎng)景，可以在說一說
總結(jié)
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