单例模式

2018-08-10 设计模式 PV:

在所有的设计模式中，单例模式是我们在项目开发中最为常见的设计模式之一，而单例模式有很多种实现方式，你是否都了解呢？高并发下如何保证单例模式的线程安全性呢？如何保证序列化后的单例对象在反序列化后仍然是单例的呢？

单例模式定义

定义：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。

基本原理：将构造函数私有化，并且通过静态方法或枚举获取一个唯一的实例对象，在这个获取的过程中必须保证线程安全、防止反序列化导致重新生成实例对象等问题。

适用场景：

需要频繁地进行创建和销毁的对象；

创建对象时耗时过多或耗费资源过多，但又经常用到的对象；

工具类对象；

频繁访问数据库或文件的对象。

通过单例类的构造函数私有化，使得客户端代码不能通过 new 的形式手动构造单例类的对象。单例类会暴露一个公有静态方法，客户端需要调用这个静态方法获取到单例类的唯一实例，在获取这个单例对象的过程中需要确保线程安全，即在多线程环境下构造单例类的对象也是有且只有一个，这也是单例模式实现中比较困难的地方。

饿汉式（静态常量）[可用]

public class Singleton {
    private final static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化，避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果，如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

饿汉式（静态代码块）[可用]

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

这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。

优点：在类装载的时候就完成实例化，避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果，如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

懒汉式（线程不安全）[不可用]

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

懒汉式单例是指在方法调用获取实例时才创建实例，因为相对饿汉式显得“不那么急迫”，所以被叫做“懒汉模式”。这种写法虽然起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。在多线程并发下这样的实现是无法保证实例是唯一的，甚至可以说这样的失效是完全错误的。比如，一个线程进入了 if (singleton == null) 判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种实现方式。

懒汉式（线程安全，同步方法）[不推荐用]

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

解决上面第三种实现方式的线程不安全问题，做个线程同步就可以了，于是就对 getInstance() 方法进行了线程同步。

缺点：效率太低了，每个线程在想获得类的实例的时候，执行 getInstance() 方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接 return 就行了，方法进行同步效率太低需要改进。

懒汉式（线程安全，同步代码块）[不可用]

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

由于第四种实现方式同步效率太低，所以摒弃同步方法，改为同步产生实例化的的代码块。但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第三种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了 if (singleton == null) 判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。

双重检查（线程安全）[推荐用]

public class Singleton {
    //使用 volatile 关键字保其可见性
    private static volatile Singleton singleton;
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

Double-Check-Locking DCL 双检查锁机制对于多线程开发者来说不会陌生，如代码中所示，我们进行了两次 if (singleton == null) 检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只会执行一次，后面再次访问时，判断 if (singleton == null) ，直接 return 实例化对象。

优点：线程安全、延迟加载、效率较高。

静态内部类（线程安全）[推荐用]

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

这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要 Singleton 类被装载就会实例化，没有 Lazy-Loading 的作用，而静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化。

类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化，所以在这里，JVM 帮助我们保证了线程的安全性，在类进行初始化时，别的线程是无法进入的。

优点：避免了线程不安全，延迟加载，效率高。

序列化与反序列化（线程安全）[推荐用]

静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性，但是在遇到序列化对象时，默认的方式运行得到的结果却是多例的。

import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;
 
public class Singleton implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    //内部类
    private static class SingletonInstance{
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.instance;
    }
    //该方法在反序列化时会被调用，该方法不是接口定义的方法，有点儿约定俗成的感觉
    protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return SingletonInstance.instance; 
    }
}

添加 readResolve 方法后，反序列化得到的实例和序列化前的实例是同一个实例，单个实例得到了保证。

枚举（线程安全）[推荐]

枚举 enum 和静态代码块的特性相似，在使用枚举时，构造方法会被自动调用，利用这一特性也可以实现单例。

public enum EnumFactory{
    singletonFactory;
    private Singleton instance;
    private EnumFactory(){ //枚举类的构造方法在类加载时被实例化
        instance = new Singleton();
    }
    public Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}
class Singleton{ //需要获实现单例的类
    public Singleton(){} 
}

这样写单例虽然得到了保证，但是枚举类具体实现被完全暴露了，下面是内部枚举类的实现。

public class ClassFactory{ 
	
    private enum EnumSingleton{
        singletonFactory;
		
        private Singleton instance;
		
        private EnumSingleton(){ //枚举类的构造方法在类加载时被实例化
            instance = new Singleton();
        }
 
        public Singleton getInstance(){
            return instance;
        }
    }
 
    public static Singleton getInstance(){
        return EnumSingleton.singletonFactory.getInstance();
    }
}
 
class Singleton{ //需要获实现单例的类
    public Singleton(){} 
}

总结

单例模式是运用频率很高的模式，但是，由于在客户端通常没有高并发的情况，因此，选择哪种实现方式并不会有太大的影响。即便如此，出于效率考虑，推荐使用双检查锁机制和静态内部类实现的方式。

优点:

由于单例模式在内存中只有一个实例，减少了内存开支，特别是一个对象需要频繁地创建、销毁时，而且创建或销毁时性能又无法优化，单例模式的优势就非常明显。

由于单例模式只生成一个实例，所以，减少了系统的性能开销，当一个对象的产生需要比较多的资源时，如读取配置、产生其他依赖对象时，则可以通过在应用启动时直接产生一个单例对象，然后用永久驻留内存的方式来解决。

单例模式可以避免对资源的多重占用，例如一个写文件操作，由于只有一个实例存在内存中，避免对同一个资源文件的同时写操作。

单例模式可以在系统设置全局的访问点，优化和共享资源访问，例如，可以设计一个单例类，负责所有数据表的映射处理。

缺点：

单例模式一般没有接口，扩展很困难，若要扩展，除了修改代码基本上没有第二种途径可以实现。

单例对象如果持有 Context，那么很容易引发内存泄漏，此时需要注意传递给单例对象的 Context 最好是 Application Context。