设计模式——单例模式

上次我们讲到迭代器模式（设计模式——迭代器模式），这次我们来看一个最常用的设计模式——单例模式。单例模式的使用场景很多，比如处理偏好和设置注册表对象、日志对象、对话框等。单例模式是应用最广的设计模式之一，也是很多同学最熟悉的模式，因为它使用简单，很好理解，在一般情况下使用都不会出什么问题。但是如果深入去理解的话，还是会发现有些平时没注意到的问题的，下面就一起学习下巩固下吧。

一、定义

单例模式：确保一个类只有一个实例，而且自行实例化，并向整个系统提供这个实例。

二、UML类图

单例模式UML类图如下：



Client：客户端，使用单例类。

Singleton：单例类。

单例模式的UML图很简单，我们主要的关注点在单例类上。有几个注意点：1⃣，构造方法不对外开放，一般为private，这样就能保证客户端不能new一个单例类实例；2⃣，通过一个静态方法或者枚举返回单例对象；3⃣，确保单例类对象只有一个，特别是在多线程的情况下，这个尤为重要的，这一点也将是我们后面着重讲的；4⃣，确保单例类对象在反序列化时不会重新构建对象，这一点在要实现单例类序列化的情况下要多留意。

三、实例

单例模式的写法也很多种，我们针对一些常见的来一一解释下。

首先见的最多的应该是这个，我们这里称它为version1.0：

public class Singleton {
private static Singleton mInstance = null;

private Singleton() {

}

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

这个应该是最好理解的。首先定义一个Singleton的实例mInstance，这实例就是提供给客户端的，通过静态方法getInstance()返回该实例；然后定义的私有构造方法，这样客户端就不能new 一个Singleton实例；静态方法getInstance()也很好理解，判断mInstance是否被实例化，如果没有就通过私有构造方法实例化，最终返回Singleton实例。整个代码内容很好理解，但是在我们上面提到的注意点3⃣，在多线程的环境下这种写法就不能保证还能正常工作了。

我们写个测试来证明下上面的写法在多线程下工作的结果：

public static void main(String[] args){
SingletonTest st = new SingletonTest();
st.testSingleton();
}

public void testSingleton(){
for (int i = 0; i < 100; i++){
new Thread(){
@Override
public void run() {
super.run();
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
getSingletonInstance();
}
}.start();
}
}
private void getSingletonInstance(){
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
System.out.println("instance = " + singleton.toString() + " in thread: " + Thread.currentThread().toString());
}

这里只列举了类的内容，在testSingleton()方法中启动了100线程，每个线程中做的就是获取Singleton version1.0单例的实例。然后我们看下运行效果，这里只截取了一部分，我们可以看到有三个不同的实例。需要说明的是这个运行结果不是每次都一样的，这个和线程的调度有关。



上面的version1.0的写法在多线程下不能保证getInstance()方法返回的是同一个实例，我们很快就会想到下面的做法，我们称它为version1.1版本：

public class Singleton {
private static Singleton mInstance = null;

private Singleton(){

}

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

version1.1在version1.0的基础上修改了getInstance()方法，加上了同步锁，这能保证此方法的原子操作，但是这样会带来每次调用getInstance()方法都要同步，这样导致效率很低，所以这个version虽然能工作，但是效率很低。

上面的version1.1在多线程的情况下效率很低，我们再看下面一种写法，我们称它为version1.2

public class Singleton {
private static Singleton mInstance = null;

private Singleton(){

}

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

version1.2的写法叫做double-check，这个版本可以避免前面version1.0和version1.1的问题。我们主要看getInstance()方法，1，判断单例实例mInstance是否为null,不为null，不需要同步直接返回实例，这是first check；2，如果mInstance为null，同步线程，同时会判断mInstance是否为null,为null就创建实例，这是second check。version1.2对于前面的version1.0和version1.1有了很大的改善，不过还有个小细节需要注意。对于变量要不要加上volatile，我个人觉得是不需要的。我们知道volatile（这是在Java 1.5以及之后的版本才有的）关键字有两个作用：1，保证线程中不会存在复本，直接从内存中读取，可以保证多线程环境下该变量修改的可见性；2，禁止重排序优化。对于volatile作用1，mInstance是static的，可以保证线程A修改后，线程B可以看到mInstance已经被修改了，因为他们读取的都是同一个内存地址，这是静态变量的属性，它是独立于实例的。对于，volatile的作用2，虽然“mInstance = new Singleton()”不是原子操作，可能存在重排序优化，但是我们加上了内置锁（synchronized）已经保证了其代码块中的操作的原子性，所以我们也不必担心重排序可能带来的得到不同实例的影响。这是我个人的理解，如有偏差，还望指正！

我们再看另一种写法，我们称它为version1.3

public class Singleton {
private static final Singleton mInstance = new Singleton();

private Singleton(){

}

public static Singleton getInstance(){
return mInstance;
}
}

在version1.3中，单例的实例被定义为static final，在第一次加载到类中就被初始化，所以创建实例本身是线程安全的，但是这样也会带来一个问题：他不是lazy initialization（懒人加载模式），即使客户端不调用getInstace()方法时也会初始化单例实例。

我们再看另一种写法，我们称它为version1.4

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

version1.4中，定义了一个静态私有的内部类SingletonHolder，SingletonHolder中定义Singleton实例sInstance为static final，这就使用JVM保证了线程安全；当方法getInstance()第一次被调用时，它第一次读取SingletonHolder.sInstance，使得SingletonHolder得到初始化，如果该方法没有被调用，SingletonHolder就不会被初始化，这样实现了lazy initialization。同时当第二次、第三次….第n次调用getInstance()方法时，得到的仍然是第一次初始化得到的是Singleton实例sInstance。

我们再看最后一种方法，我们称它为version1.5

public enum Singleton {
INSTANCE;
}

这是《Effective Java》所推荐的，此版本是通过枚举来实现的，默认枚举实例的创建时线程安全的。这种方式不但简洁，还提无偿提供了序列化机制，绝对防止多次实例化。

四，总结

单例模式的几种写法就介绍完了，各种版本的优缺点有提到。我个人推荐使用上面的version1.2(double-check)、version1.4、还有version1.5。double-check的方式写起来多了几行代码，当然如果要偷懒的化，version1.5绝对是你的不二之选。