Java設(shè)計模式基礎(chǔ) - 單例模式

單例模式是一種常見的設(shè)計模式，在這個模式下，單例對象的類必須保證只有一個實例存在，并提供返回實例對象的方法。在日常工作中，線程池、緩存、日志等對象通常被設(shè)計成單例模式，一方面減少了頻繁創(chuàng)建銷毀對象用以提升性能，另一方面避免了對共享資源的多重占用并簡化了訪問。

那么在高并發(fā)、多線程的環(huán)境下，是如何確保多個線程操作的是同一對象，也就是說保證對象的唯一性呢？這時就要用到單例模式，來確保實例化過程中，對象只被實例化了一次。本文將介紹一下單例模式的幾種實現(xiàn)方式及性能分析。

1.餓漢模式

餓漢模式比較簡單，在實例初始化的時候不管有沒有用到，都會把實例先創(chuàng)建好，等待被調(diào)用。

public class HungrySingleton { private static HungrySingleton instance=new HungrySingleton(); private HungrySingleton(){} //返回實例對象 public static HungrySingleton getInstance(){ return instance; } }

由于在加載的時候已經(jīng)被實例化，只會創(chuàng)建一個實例，因此餓漢模式是線程安全的，能夠充分保證單例。但是沒有實現(xiàn)延遲加載，可能很長時間不被使用，影響程序性能。

2.懶漢模式

懶漢模式就是實例在被用到的時候才去創(chuàng)建，在使用的同時去檢查有沒有實例，如果有則返回，沒有則新建。

public class HoonSingleton { private static HoonSingleton instance = null; public HoonSingleton() { } public HoonSingleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new HoonSingleton(); } return instance; } }

可以看出，在懶漢模式中，單例實例會被延遲加載，即只有在真正使用的時候才會實例化一個對象并交給自己的引用。由于使用了懶加載，因此在性能上要優(yōu)于餓漢模式。

但是在多線程環(huán)境下，這種方法并不能夠保證實例對象的唯一性，多線程時可能多個線程同時去實例化對象，因此不能保證線程的安全性。在此基礎(chǔ)上進行改進，通過在getInstance()方法上加synchronized關(guān)鍵字，實現(xiàn)同步，可以實現(xiàn)線程安全。

public synchronized static HoonSingleton getInstance() { if (instance == null) { instance = new HoonSingleton(); } return instance; }

通過使用synchronized保證了對臨界資源的同步互斥訪問，也就保證了單例同步方法，這一方式實現(xiàn)了線程安全，但是相應(yīng)的該方法退化到了串行執(zhí)行，并且同步方法的作用域比較大，鎖的粒度太大，一定程度上降低了程序運行效率。

3.DCL模式

DCL模式又稱為雙檢鎖（Double Check Locking），也叫雙重校驗鎖，綜合了懶漢式和餓漢式兩者的優(yōu)點整合而成。

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

DCL中，在synchronized關(guān)鍵字內(nèi)外都加了一層 if 條件判斷，這樣既保證了線程安全，又比直接上鎖提高了執(zhí)行效率，還節(jié)省了內(nèi)存空間。因此，在實現(xiàn)了懶加載與保證線程安全性的同時，也保證了較好的性能。

盡管DCL看起來已經(jīng)非常完善了，但是由于存在JVM指令重排序的存在（不清楚的可以查看上一篇文章），使得DCL仍然存在一些問題。

instance=new DCL();

盡管是很簡單的一個語句，但是從執(zhí)行上來看，這并不是一個原子操作。這一語句大概完成了三件事情：

給instance實例分配內(nèi)存

使用instance的構(gòu)造方法實例對象

將instance對象指向分配的內(nèi)存空間，必須注意，到此為止instance返回就已經(jīng)是非null的對象了

在此情況下，JVM為了優(yōu)化指令提高程序運行效率，可能會將執(zhí)行順序中的第2、3步顛倒一下。以2個線程為例，可能出現(xiàn)以下情況：

線程1，發(fā)現(xiàn)對象未實例化，準(zhǔn)備開始執(zhí)行構(gòu)造方法實例對象；

線程2調(diào)用instance實例，發(fā)現(xiàn)對象已經(jīng)不為null，直接返回對象；

對象構(gòu)造方法未執(zhí)行完畢，線程2調(diào)用instance中的一些對象返回空指針異常。

根據(jù)以上分析可知，解決這個問題可以通過加volatile關(guān)鍵字來確定指令執(zhí)行順序，避免指令重排序

private volatile static DCL instance=null;

4.Holder模式

Holder模式也被稱為靜態(tài)內(nèi)部類模式，在該模式下，可以通過使用內(nèi)部靜態(tài)類來以懶漢模式的思想來實現(xiàn)線程安全的對象單例。

public class HolderDemo { private HolderDemo() {} private static class Holder { private static HolderDemo instance = new HolderDemo(); } public static HolderDemo getInstance() { return Holder.instance; } }

可以看出，在聲明類的時候，它的成員中不包含需要聲明的實例變量，而放到它的內(nèi)部靜態(tài)類中去創(chuàng)建實例。而靜態(tài)的成員式內(nèi)部類，該內(nèi)部類的實例與外部類的實例沒有綁定關(guān)系，只有被調(diào)用到時才會裝載，這樣一來也實現(xiàn)了懶加載。

5.枚舉方式

枚舉實現(xiàn)方式是在Effective Java一書中被提到的，具有功能完善使用簡單，無償?shù)靥峁┝诵蛄谢瘷C制，在面對復(fù)雜的序列化或者反射攻擊時仍然可以絕對防止多次實例化等優(yōu)點。

public class EnumSingletonDemo { private EnumSingletonDemo() { } private enum EnumHolder { INSTANCE; private EnumSingletonDemo instance; EnumHolder(){ instance = new EnumSingletonDemo(); } } public static EnumSingletonDemo getInstance() { return EnumHolder.INSTANCE.instance; } }

由于Java中規(guī)定了每個枚舉類型及其定義的枚舉變量在JVM中都是唯一的，所以在加載的過程中只能被實例化一次，所以在其初始化的過程中是線程安全的。

在序列化方面，Java中枚舉的序列化和反序列化都做了特殊的規(guī)定，這就可以避免反序列化過程中由于反射而導(dǎo)致的單例被破壞問題。使用枚舉的方式，能夠有效防止使用反射強行調(diào)用構(gòu)造方法創(chuàng)建實例。

總結(jié)

本文介紹了單例模式的主要思想，并列舉出了它的幾種經(jīng)典實現(xiàn)，并對幾種實現(xiàn)的線程安全性與執(zhí)行效率進行了分析。總的來說，可以按照以下規(guī)則進行實現(xiàn)方式的選擇：

減少使用懶漢模式，線程安全或不安全模式下均有一定缺陷

如果設(shè)計序列化與反序列化時，可以選擇枚舉的方式

如果要實現(xiàn)懶加載，可以使用DCL及Holder模式

未聲明需要懶加載，可以選擇餓漢模式

最后

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