Java设计模式--单例模式

摘要：所以这段代码也就避免了代码一中，可能出现因为多线程导致多个实例的情况。从内部看是一个饿汉式的单例，但是从外部看来，又的确是懒汉式的实现枚举使用是不是很简单而且因为自动序列化机制，保证了线程的绝对安全。

在介绍单例模式之前，我们先了解一下，什么是设计模式？
设计模式（Design Pattern）：是一套被反复使用，多数人知晓的，经过分类编目的，代码设计经验的总结。
目的：使用设计模式是为了可重用性代码，让代码更容易被他人理解，保证代码可靠性。

本文将会用到的关键词：

单例：Singleton

实例：instance

同步：synchronized

类装载器：ClassLoader

单例模式：
单例，顾名思义就是只能有一个、不能再出现第二个。就如同地球上没有两片一模一样的树叶一样。

在这里就是说：一个类只能有一个实例，并且整个项目系统都能访问该实例。

单例模式共分为两大类：

懒汉模式：实例在第一次使用时创建

饿汉模式：实例在类装载时创建

单例模式UML图

按照定义我们可以写出一个基本代码：

public class Singleton {

    // 使用private将构造方法私有化，以防外界通过该构造方法创建多个实例
    private Singleton() {
    }

    // 由于不能使用构造方法创建实例，所以需要在类的内部创建该类的唯一实例
    // 使用static修饰singleton 在外界可以通过类名调用该实例   类名.成员名
    static Singleton singleton = new Singleton();   // 1
    
    // 如果使用private封装该实例，则需要添加get方法实现对外界的开放
    private static Singleton instance = new Singleton();    // 2
    // 添加static，将该方法变成类所有   通过类名访问
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
    
    //1和2选一种即可，推荐2
}

对于饿汉模式来说，这种写法已经很‘perfect’了，唯一的缺点就是，由于instance的初始化是在类加载时进行的，类加载是由ClassLoader来实现的，如果初始化太早，就会造成资源浪费。
当然，如果所需的单例占用的资源很少，并且也不依赖于其他数据，那么这种实现方式也是很好的。

new一个对象时

使用反射创建它的实例时

子类被加载时，如果父类还没有加载，就先加载父类

JVM启动时执行主类 会先被加载

懒汉模式的代码如下

// 代码一
public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton(){
    }
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton(); 
        }        
        return instance; 
   }
}

每次获取instance之前先进行判断，如果instance为空就new一个出来，否则就直接返回已存在的instance。

这种写法在单线程的时候是没问题的。但是，当有多个线程一起工作的时候，如果有两个线程同时运行到 if (instance == null)，都判断为null（第一个线程判断为空之后，并没有继续向下执行，当第二个线程判断的时候instance依然为空），最终两个线程就各自会创建一个实例出来。这样就破环了单例模式 实例的唯一性

要想保证实例的唯一性就需要使用synchronized，加上一个同步锁

// 代码二
public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        synchronized(Singleton.class){
            if (instance == null)
                instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

加上synchronized关键字之后，getInstance方法就会锁上了。如果有两个线程（T1、T2）同时执行到这个方法时，会有其中一个线程T1获得同步锁，得以继续执行，而另一个线程T2则需要等待，当第T1执行完毕getInstance之后（完成了null判断、对象创建、获得返回值之后），T2线程才会执行执行。

所以这段代码也就避免了代码一中，可能出现因为多线程导致多个实例的情况。但是，这种写法也有一个问题：给getInstance方法加锁，虽然避免了可能会出现的多个实例问题，但是会强制除T1之外的所有线程等待，实际上会对程序的执行效率造成负面影响。

代码二相对于代码一的效率问题，其实是为了解决1%几率的问题，而使用了一个100%出现的防护盾。那有一个优化的思路，就是把100%出现的防护盾，也改为1%的几率出现，使之只出现在可能会导致多个实例出现的地方。
代码如下：

// 代码三
public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null){
            synchronized(Singleton.class){
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

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

第一个 if(instance==null)，其实是为了解决代码二中的效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段大大减少了几率。

第二个if(instance==null)，则是跟代码二一样，是为了防止可能出现多个实例的情况。

这段代码看起来已经完美无瑕了。当然，只是『看起来』，还是有小概率出现问题的。想要充分理解需要先弄清楚以下几个概念：原子操作、指令重排。

原子操作
简单来说，原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。比如，简单的赋值是一个原子操作：

m = 6; // 这是个原子操作

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

但是，声明并赋值就不是一个原子操作：

int  n=6;//这不是一个原子操作

对于这个语句，至少有两个操作：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已经被声明了但是还没有被赋值的状态。这样，在多线程中，由于线程执行顺序的不确定性，如果两个线程都使用m，就可能会导致不稳定的结果出现。

指令重排
简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。比如，这一段代码：

int a ;   // 语句1 
a = 8 ;   // 语句2
int b = 9 ;     // 语句3
int c = a + b ; // 语句4

正常来说，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。但是，由于指令重排
的原因，因为不影响最终的结果，所以，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。

由于语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分成原子操作，再重排。——也就是说，对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。

OK，了解了原子操作和指令重排的概念之后，我们再继续看代码三的问题。

主要在于singleton = 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 singleton 分配内存
　　2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
　　3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null了）

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。
　　
再稍微解释一下，就是说，由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance ==null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。这里的关键在于线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。
　　
对于代码三出现的问题，解决方案为：给instance的声明加上volatile关键字
代码如下：

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

volatile关键字的一个作用是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障，这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。

注意：volatile阻止的不是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作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。

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

这种写法的巧妙之处在于：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，由于SingletonHolder是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。
　　
它利用了ClassLoader来保证了同步，同时又能让开发者控制类加载的时机。从内部看是一个饿汉式的单例，但是从外部看来，又的确是懒汉式的实现

public enum SingleInstance {
  INSTANCE;
   public void fun1() {
       // do something
   }
}// 使用SingleInstance.INSTANCE.fun1();

是不是很简单？而且因为自动序列化机制，保证了线程的绝对安全。三个词概括该方式：简单、高效、安全

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

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