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单例模式的七种写法

2014-05-23 21:40 183 查看
维基百科对单例模式的介绍：

在应用单例模式时，生成单例的类必须保证只有一个实例的存在，很多时候整个系统只需要拥有一个全局对象，才有利于协调系统整体的行为。比如在整个系统的配置文件中，配置数据有一个单例对象进行统一读取和修改，其他对象需要配置数据的时候也统一通过该单例对象来获取配置数据，这样就可以简化复杂环境下的配置管理。

单例模式的思路是：一个类能返回一个对象的引用（并且永远是同一个）和一个获得该实例的方法（静态方法，通常使用 getInstance 名称）。那么当我们调用这个方法时，如果类持有的引用不为空就返回该引用，否者就创建该类的实例，并且将实例引用赋值给该类保持的那个引用再返回。同时将该类的构造函数定义为私有方法，避免其他函数使用该构造函数来实例化对象，只通过该类的静态方法来得到该类的唯一实例。

单例模式的实现有几种方法，但实际应用的场景多是多线程下的，如何保证多线程环境下，只有一个实例是很有讲究的！

以下文章主要参考了 http://cantellow.iteye.com/blog/838473，再加上了自己的一些理解和注释
第一种（懒汉，线程不安全）：

public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}

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


这种写法lazy loading很明显，但是致命的是在多线程不能正常工作。

第二种（懒汉，线程安全）：

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


如何保证新建用例时多个线程同时只能有一个线程新建，很直接的想法就是同步加锁，这种写法能够在多线程中很好的工作，而且看起来它也具备很好的lazy loading，但是，遗憾的是，效率很低，99%情况下不需要同步。

第三种（饿汉）：

public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题（静态变量在类装载的时候初始化），不过，instance在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化instance显然没有达到lazy
loading的效果。

第四种（[b]饿汉，变种）：

[/b]
public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
static {
instance = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}


表面上看起来差别挺大，其实更第三种方式差不多，都是在类初始化即实例化instance。（静态代码块在类装载的时候执行）

第五种（静态内部类）：

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


这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟第三种和第四种方式不同的是（很细微的差别）：第三种和第四种方式是只要Singleton类被装载了，那么instance就会被实例化（没有达到lazy loading效果），而这种方式是Singleton类被装载了，instance不一定被初始化。因为SingletonHolder类没有被主动使用，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显示装载SingletonHolder类，从而实例化instance。想象一下，如果实例化instance很消耗资源，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化instance显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第三和第四种方式就显得很合理。第六种（枚举）：
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void whateverMethod() {
}
}
这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象，可谓是很坚强的壁垒啊，不过，个人认为由于1.5中才加入enum特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，我也很少看见有人这么写过。（枚举方式，还真没怎么见过）

第七种（双重校验锁）：

public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
这个是第二种方式的升级版，俗称双重检查锁定，此方法表面看上去没什么问题，但java程序执行的时候有指令重排序问题，这样该方法不能保证线程安全。http://www.oschina.net/code/snippet_111708_25417给出了这种方法两种改写方法：

1. 通过临时变量 temp

public class Singleton {
private static Singleton instance = null;
private Singleton() { }
public static Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
synchronzied(Singleton.class) {
Singleton temp = instance;
if(temp == null) {
temp = new Singleton();
instance = temp
}
}
}
return instance;
}
}
2.
instance实例变量用
volatile
修饰
就可以保证对一个对象修改后能够立即被其它线程看到


public class Singleton {
private static volatile Singleton instance = null;
private Singleton() { }
public static Singleton getInstance() {
if(instance == null) {
synchronzied(Singleton.class) {
if(instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
<span style="font-family:'Microsoft YaHei';">       </span> return instance;
}
}

在JDK1.5之后，volatile才能够正常达到单例效果。

总结

有两个问题需要注意：

1.如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取，例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类装载器，这样的话如果有两个servlet访问一个单例类，它们就都会有各自的实例。

2.如果Singleton实现了java.io.Serializable接口，那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样，如果你序列化一个单例类的对象，接下来复原多个那个对象，那你就会有多个单例类的实例。

对第一个问题修复的办法是：

private static Class getClass(String classname) throws ClassNotFoundException {
ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
if(classLoader == null)
classLoader = Singleton.class.getClassLoader();
return (classLoader.loadClass(classname));
}
}
 对第二个问题修复的办法是：

public class Singleton implements java.io.Serializable {
public static Singleton INSTANCE = new Singleton();
protected Singleton() {  }
private Object readResolve() {
return INSTANCE;
}
}
对我来说，我比较喜欢第三种和第五种方式，简单易懂，而且在JVM层实现了线程安全（如果不是多个类加载器环境），一般的情况下，我会使用第三种方式，只有在要明确实现lazy loading效果时才会使用第五种方式，另外，如果涉及到反序列化创建对象时我会试着使用枚举的方式来实现单例，不过，我一直会保证我的程序是线程安全的，而且我永远不会使用第一种和第二种方式，如果有其他特殊的需求，我可能会使用第七种方式，毕竟，JDK1.5已经没有双重检查锁定的问题了。

一般单例都是五种写法：懒汉，饿汉，静态内部类、双重校验锁，枚举。

扩展：

对于双重校验锁方法的指令重排问题，另一个类似的议题是“编译器优化”，描述的是一个问题，只是一个是java环境一个是c++环境。 编译器优化参见http://www.cnblogs.com/rocketfan/archive/2009/12/05/1617759.html
                                            

                                        

                        
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