01.Singleton Pattern 单例模式

Singleton Pattern 单例模式，作为创建型模式的一种，其保证了类的实例对象只有一个，并对外提供此唯一实例的访问接口

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概述

对于单例模式而言，其最核心的目的就是为了保证该类的实例对象是唯一的。为此一方面，需要将该类的构造函数设为private，另一方面，该类需要在内部完成实例的构造并对外提供访问接口。单例模式的好处显而易见，可以避免频繁创建、销毁实例所带来的性能开销；但其缺点也同样明显，此类不仅需要描述业务逻辑，同时还需要构造出该类的唯一对象并对外提供访问接口，其显然违背了单一职责原则

实现

单例模式的思想虽然简单易懂，但实现起来却可谓是花样繁多、妙不可言。这里来介绍几种常见的单例模式的实现

饿汉式

如下实现最为简单，当 SingletonDemo1 类被加载到JVM中，即会完成实例化。即不是所谓的Lazy Load 延迟加载，故通常被称之为 “饿汉式” 单例。其最大的问题就在，可能构造出来的实例对象从头到尾没有被使用过(没有调用过getInstance方法)，从而浪费内存。可能有人会对此有些困惑，SingletonDemo1 类被加载到JVM中了，那肯定是因为调用了getInstance方法啊。难道还有别的原因？答案是肯定的

这里，我们先简要补充一些类加载机制的相关知识点。我们知道Java中的类被加载到JVM中，通常会有如下几个阶段：加载、验证、准备、解析、初始化等。其中对于初始化阶段而言，虚拟机规范严格规定了有且仅有以下5种情况必须立即对类进行初始化（而加载、验证、准备显然必须在此之前开始）：

遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic类型的字节码指令时，在Java代码层面上就是new对象、读取或设置类的静态变量（被final修饰、已在编译期将结果放入常量池的静态变量除外）、调用类的静态方法
对该类使用反射
当初始化一个类的时候，如果发现其父类还未初始化，则需要先初始化父类
当JVM启动时，虚拟机会先初始化开发者所指定的主类（即main方法所在类）
当使用JDK 1.7的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后解析的结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，且该方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化

说到这里，大家可能就明白了，如果SingletonDemo1类中还有其他静态方法，一旦被调用就会导致SingletonDemo1类被加载、初始化，此时即完成了实例的构造。众所周知，JVM保证了类加载过程的线程安全，所以饿汉式单例同样是线程安全的

/**
 * 单例模式1，饿汉式
 */
public class SingletonDemo1 {
    private static SingletonDemo1 instance = new SingletonDemo1("我是饿汉式的单例");

    private String description;

    /**
     * 私有构造器
     * @param description
     */
    private SingletonDemo1(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }

    /**
     * 提供实例的访问接口
     * @return
     */
    public static SingletonDemo1 getInstance() {
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo1 singletonDemo1 = SingletonDemo1.getInstance();
        singletonDemo1.getInfo();
    }
}

测试结果如下所示

懒汉式

前面说到，饿汉式单例会导致内存空间的浪费，那么有没有办法解决这个问题呢？答案是有的，这就是”懒汉式”单例。顾名思义，其实例不是在类加载、初始化时被构建的，而是在真正需要的时候才去创建，如下所示

/**
 * 单例模式2，线程不安全的懒汉式
 */
public class SingletonDemo2 {
    private static SingletonDemo2 instance = null;
    private String description;

    private SingletonDemo2(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }

    public static SingletonDemo2 getInstance() {
        if( instance==null ) {
            instance = new SingletonDemo2("我是线程不安全的懒汉式单例");
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo2 singletonDemo2 = SingletonDemo2.getInstance();
        singletonDemo2.getInfo();
    }

}

测试结果如下所示

“懒汉式”单例虽然实现了Lazy Load延迟加载，但是其存在一个很严重的问题，不是线程安全的。所以如果在多线程环境下，我们需要使用下面线程安全的”懒汉式”单例，其保障线程安全的手段也很简单，直接使用synchronized来修饰getInstance方法。这种办法过于简单粗暴，同时会导致效率十分低下。实例一旦被构造完毕后，由于锁的存在，导致每次只能由一个线程可以获取到实例对象

/**
 * 单例模式3， 线程安全但效率低下的懒汉式
 */
public class SingletonDemo3 {
    private static SingletonDemo3 intance = null;
    private String description;

    private SingletonDemo3(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.printf(description);
    }

    public static synchronized SingletonDemo3 getInstance() {
        if( intance==null ) {
            intance = new SingletonDemo3("我是线程安全线程安全但效率低下的懒汉式单例");
        }
        return intance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo3 singletonDemo3 = SingletonDemo3.getInstance();
        singletonDemo3.getInfo();
    }
}

测试结果如下所示

基于DCL(Double-Checked Locking)双重检查锁的单例

通过前面我们看到，无论是饿汉式单例还是懒汉式单例，其都有明显的缺点。那么有没有一种完美的单例？既可以实现Lazy Load延迟加载，又可以在保证线程安全的前提下依然具备较高的效率呢。答案是肯定——基于DCL(Double-Checked Locking)双重检查锁的单例。其实现如下，该单例实现中进行了两次检查。第一次检查时如果发现实例已经构造完毕了，则无需加锁直接返回实例对象即可。其保证了实例在构建完成后，其他多个线程可以同时快速获取该实例。第二次检查时则是为了避免重复构造实例，因为在还未构造实例前，可能会有多个线程通过了第一次检查，准备加锁来构造实例。在DCL的单例实现中，尤其需要注意的一点是静态变量instance必须要使用volatile进行修饰。其原因在于volatile禁止了指令的重排序。这里就此问题再作一些详细的解释说明：在JDK1.5之前的Java内存模型中，虽然不允许volatile变量之间进行重排序，但却允许普通变量与volatile变量之间的重排序。所以在JSR 133(JDK 1.5)中对volatile变量的内存语义进一步增强，即限制了普通变量与volatile变量之间是否可以重排序的具体场景。这也是为什么在JDK 1.5之前无法通过DCL实现一个线程安全的单例模式

/**
 * 单例模式4，基于DCL的线程安全的单例
 */
public class SingletonDemo4 {
    // 此处必须要使用volatile修饰!
    private static volatile SingletonDemo4 instance = null;
    private String description;

    private SingletonDemo4(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }

    public static SingletonDemo4 getInstance() {
        if( instance==null ) {  // 第一次检查：如果实例已经构造完成则直接取，避免每次取之前需要获取锁
               synchronized (SingletonDemo4.class) {
                    if(instance==null) {    // 第二次检查：避免构造出多个实例
                        instance = new SingletonDemo4("我是基于DCL的线程安全的单例");
                    }
               }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo4 singletonDemo4 = SingletonDemo4.getInstance();
        singletonDemo4.getInfo();
    }

}

测试结果如下

基于静态内部类的单例

前面我们说到的第一种单例实现，之所以被称为饿汉式、非延迟加载。其原因就在于类的加载、初始化不能100%保证是因为调用getInstance方法引起的。而这里我们通过静态内部类的方式来实现一个延迟加载的单例，代码如下所示。当调用外部类SingletonDemo5的一些静态方法(当然getInstance方法除外)，只会加载、初始化外部类SingletonDemo5，而不会去初始化静态内部类SingletonDemo5Holder。只有通过调用getInstance方法访问了静态内部类SingletonDemo5Holder的静态变量instance，静态内部类SingletonDemo5Holder才会被加载、初始化，显然此时实例才会被真正的构造。所以对于基于静态内部类的单例实现而言，其之所以能保证Lazy Load延迟加载特性，是其因为通过SingletonDemo5Holder静态内部类100%保证了静态内部类被加载、初始化是因为调用外部类的getInstance方法而导致的。同样地，该方式的单例也是满足线程安全的，原因在饿汉式单例实现中已作解释，此处就不再赘述

/**
 * 单例模式5，静态内部类
 */
public class SingletonDemo5 {
    private String description;

    private SingletonDemo5(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }

    private static class SingletonDemo5Holder{
        private static final SingletonDemo5 instance = new SingletonDemo5("我是基于静态内部类的线程安全的单例");
    }

    public static SingletonDemo5 getInstance() {
        return SingletonDemo5Holder.instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo5 singletonDemo5 = SingletonDemo5.getInstance();
        singletonDemo5.getInfo();
    }
}

测试结果如下所示

基于枚举的单例

对于Java的枚举类型而言，其构造器是且只能是private私有的。故其特别适合用于实现单例模式。下面即是一个基于枚举的单例实现，可以看到此种实现非常简洁优雅。当枚举类进行加载、初始化时，即会完成实例的构建，我们通过枚举的特性保证了实例的唯一性，当然其不是Lazy Load延迟加载的。与此同时根据类的加载机制我们可知其也是线程安全的(由JVM保证)

/**
 * 单例模式6，枚举法
 */
public enum SingletonDemo6 {
    INSTANCE("我是枚举法的单例");

    private String description;

    /**
     * 枚举的构造器默认访问权限是private, 当然也只能是私有的
     * @param description
     */
    SingletonDemo6(String description) {
        this.description = description;
    }

    public void getInfo() {
        System.out.println(description);
    }
}
...
/**
 * 测试用例
 */
public class SingletonDemo6Test {
    public static void main(String[] args) {
        SingletonDemo6 singletonDemo6 = SingletonDemo6.INSTANCE;
        singletonDemo6.getInfo();
    }
}

测试结果如下

参考文献

Head First 设计模式弗里曼著

标题名称：01.Singleton Pattern 单例模式
网页地址：http://hbruida.cn/article/dscgije.html

01.Singleton Pattern 单例模式

概述

实现

饿汉式

懒汉式

基于DCL(Double-Checked Locking)双重检查锁的单例

基于静态内部类的单例

基于枚举的单例

参考文献

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