浅谈单例设计模式的几种实现方式

在设计模式中，最常谈及的就是单例设计模式。

百度百科对于单例设计模式的设计动机是这么阐述的：



上述是一个广义的概念，那么在具体开发中单例带来了什么呢？

在java语言中，单例带来了两大好处：

1.对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级的对象而言，是非常可观的一笔系统开销。

2.由于new操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻GC压力，缩短GC停顿时间。

所以对于系统的关键组件和被频繁操作的对象，使用单例模式便可以有效地改善系统性能。

单例的参与者非常简单，只有单例类和使用者两个；

下面介绍单例设计模式在java代码的具体实现：

单例模式的核心在于通过一个接口返回唯一的对象实例，一个简单的单例实现如下：

1 public class Singleton {
2     private  Singleton() {
3         System.out.println("Singleton  is  create"); // 创建单例的过程可能会比较慢
4     }
5
6     private static Singleton instance = new Singleton();
7
8     private static Singleton getInstance() {
9         return instance;
10     }
11 }

注意代码的蓝色部分，首先单例类必须要有一个private访问级别的构造函数，只有这样，才能确保单例不会在系统中的其他代码内被实例化，这点是相当重要的；其次，instance成员和getInstance（）方法必须是static的。

这种单例的实现方式非常简单，而且十分可靠，它唯一的不足仅是无法对instance实例做延迟加载，假如单例的创建过程很慢，而由于instance成员变量是static定义的，因此在JVM加载单例类时，单例对象就会被建立，如果此时，这个单例类在系统中还扮演其他角色，那么在任何使用这个单例类的地方都会初始化这个单例变量，根本就不会管是否被用到。比如单例String工厂，用于创建一些字符串（该类既用于创建单例Singleton，又用于创建String对象）。

public class Singleton {
private Singleton() {
System.out.println("Singleton  is  create"); // 创建单例的过程可能会比较慢
}

private static Singleton instance = new Singleton();

private static Singleton getInstance() {
return instance;
}

public static void CreateString(){       //这是模拟单例类扮演其他角色
System.out.println("createString in Singleton");
}
}

　　上面代码的意思就是，假如单例类里面有getInstance以外的其它静态方法，跟单例没啥关系的方法，如果使用了Singleton.CreateString（）这种调用，就会自动创建Singleton这个类实例（虽然private构造已经防止了你人为去new这个单例），这是开发人员不愿看到的，我运行下面代码（此代码调用了上面代码的createString（）方法）进行展示：



那么在这个单例基础上进行延迟加载改良：

1 public class Singleton {
2     private Singleton() {
3         System.out.println("LazySingleton  is  create"); // 创建单例的过程可能会比较慢
4     }
5
6     private static Singleton instance = null;
7
8     public static synchronized Singleton getInstance() {
9         if (instance == null)
10             instance = new Singleton();
11         return instance;
12     }
13
14 }

此时再调用同样的测试方法：



解决了这个问题。

显而易见，这次改良主要是从JVM加载类的原理上进行改良的，上面的代码在初始化类的时候给instance赋予null,确保系统启动的时候没有额外的负载，其次，在getInstance方法中加入判断单例是否存在，不存在才new。但是getInstance()方法必须是同步的，

否则多线程环境下，可能线程1正在创建单例时，线程2判断单例instance为空，就会创建多个实例。

但是上面的写法，存在性能问题，在多线程下，它的耗时远远大于第一种单例。以下代码就说明了此问题：

1     @Override
2         public void run(){
3             for (int i = 0; i < 100000; i++)
4                 Singleton.getInstance();
5                 System.out.println("spend:" (System.currentTimeMillis()-begintime));
6
7         }

开启五个线程同时完成以上代码的运行，使用第一种单例耗时0ms，而使用第二种单例耗时390ms，性能至少相差两个数量级。

为了线程安全使用了同步关键字反而降低了系统性能，为了解决这个问题，继续改进：

1 public class Singleton {
2     private Singleton() {
3         System.out.println("LazySingleton  is  create"); // 创建单例的过程可能会比较慢
4     }
5
6     public static class SingletonHolder {
7         private static Singleton instance = new Singleton();
8     }
9
10     public static synchronized Singleton getInstance() {
11         return SingletonHolder.instance;
12     }
13
14 }

没错，这就是现在最完整的单例写法，内部类实现单例，除了effctive java中阐述的枚举单例实现，这种方法是目前最好的实现方式。

在这个实现中，用内部类来保护单例，当Singleton类被加载时，内部类不会被初始化，所以可以确保Singleton类被载入JVM时，不会初始化单例类，当getInstance方法被调用时，才会加载SingleHolder，从而初始化instance，同时，由于实例的建立是在类加载时完成的，故天生对多线程友好，getInstance（）方法也不需要使用synchronized修饰，因此，这种实现能兼顾前两种写法的优点（延迟加载，非同步）。

最后，在极端情况下，序列化和反序列化可能会破坏单例，一般来说不多见，如果存在就要多加注意，此时可以加入以下代码：

private Object readResolve() {
return instance;
}