Java单例模式

转载自https://blog.csdn.net/fly910905/article/details/79286680

Java中单例(Singleton)模式是一种广泛使用的设计模式。单例模式的主要作用是保证在Java程序中，某个类只有一个实例存在。

一些管理器和控制器常被设计成单例模式。

单例模式好处:

它能够避免实例对象的重复创建，不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。如果一个对象有可能贯穿整个应用程序，而且起到了全局统一管理控制的作用，那么单例模式也许是一个值得考虑的选择。

单例模式有很多种写法，大部分写法都或多或少有一些不足。下面将分别对这几种写法进行介绍。

1、饿汉模式

public class Singleton{ private static Singleton instance = new Singleton(); private Singleton(){} public static Singleton newInstance(){ return instance; } } 从代码中我们看到，类的构造函数定义为private的，保证其他类不能实例化此类，然后提供了一个静态实例并返回给调用者。饿汉模式是最简单的一种实现方式，饿汉模式在类加载的时候就对实例进行创建，实例在整个程序周期都存在。它的好处是只在类加载的时候创建一次实例，不会存在多个线程创建多个实例的情况，避免了多线程同步的问题。它的缺点也很明显，即使这个单例没有用到也会被创建，而且在类加载之后就被创建，内存就被浪费了。 这种实现方式适合单例占用内存比较小，在初始化时就会被用到的情况。但是，如果单例占用的内存比较大，或单例只是在某个特定场景下才会用到，使用饿汉模式就不合适了，这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载。

 

2、懒汉模式

public class Singleton{ private static Singleton instance = null; private Singleton(){} public static Singleton newInstance(){ if(null == instance){ instance = new Singleton(); } return instance; } } 好处：懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建，再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。适用于：如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。缺点：但是这里的懒汉模式并没有考虑线程安全问题，在多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法，导致创建多个实例，因此需要加锁解决线程同步问题，实现如下: public class Singleton{ private static Singleton instance = null; private Singleton(){} public static synchronized Singleton newInstance(){ if(null == instance){ // Single Checked instance = new Singleton(); } return instance; } }

3、双重校验锁【推荐】

这个问题在Java面试中经常被问到，但是面试官对回答此问题的满意度仅为50%。一半的人写不出双检锁，还有一半的人说不出它的隐患和Java1.5是如何对它修正的。它其实是一个用来创建线程安全的单例的老方法，当单例实例第一次被创建时它试图用单个锁进行性能优化，但是由于太过于复杂在JDK1.4中它是失败的，我个人也不喜欢它。无论如何，即便你也不喜欢它但是还是要了解一下，因为它经常被问到。

 

加锁的懒汉模式看起来即解决了线程并发问题，又实现了延迟加载，然而它存在着性能问题，依然不够完美。synchronized修饰的同步方法比一般方法要慢很多，如果多次调用getInstance()，累积的性能损耗就比较大了。因此就有了双重校验锁，先看下它的实现代码。 public class Singleton { private static Singleton instance = null; private Singleton(){} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { // Single Checked synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { // Double checked instance = new Singleton(); } } } return instance; } } 可以看到上面在同步代码块外多了一层instance为空的判断。由于单例对象只需要创建一次，如果后面再次调用getInstance()只需要直接返回单例对象。因此，大部分情况下，调用getInstance()都不会执行到同步代码块，从而提高了程序性能。不过还需要考虑一种情况，假如两个线程A、B，A执行了if (instance == null)语句，它会认为单例对象没有创建，此时线程切到B也执行了同样的语句，B也认为单例对象没有创建，然后两个线程依次执行同步代码块，并分别创建了一个单例对象。为了解决这个问题，还需要在同步代码块中增加if (instance == null)语句，也就是上面看到的代码中的校验2。双检锁隐患：

我们看到双重校验锁即实现了延迟加载，又解决了线程并发问题，同时还解决了执行效率问题，是否真的就万无一失了呢？

 

这里要提到Java中的指令重排优化。所谓指令重排优化是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快。JVM中并没有规定编译器优化相关的内容，也就是说JVM可以自由的进行指令重排序的优化。这个问题的关键就在于由于指令重排优化的存在，导致初始化Singleton和将对象地址赋给instance字段的顺序是不确定的。在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。此时就可以将分配的内存地址赋值给instance字段了，然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstance，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。

 

JDK5的修正：以上就是双重校验锁会失效的原因，不过还好在JDK1.5及之后版本增加了volatile关键字。 volatile的一个语义是禁止指令重排序优化，也就保证了instance变量被赋值的时候对象已经是初始化过的，从而避免了上面说到的问题。Java中的volatile 变量是什么？

理解volatile关键字的作用的前提是要理解Java内存模型，volatile关键字的作用主要有两个：

（1）多线程主要围绕可见性和原子性两个特性而展开，使用volatile关键字修饰的变量，保证了其在多线程之间的可见性，即每次读取到volatile变量，一定是最新的数据（2）代码底层执行不像我们看到的高级语言—-Java程序这么简单，它的执行是Java代码–>字节码–>根据字节码执行对应的C/C++代码–>C/C++代码被编译成汇编语言–>和硬件电路交互，现实中，为了获取更好的性能JVM可能会对指令进行重排序，多线程下可能会出现一些意想不到的问题。使用volatile则会对禁止语义重排序，当然这也一定程度上降低了代码执行效率从实践角度而言，volatile的一个重要作用就是和CAS结合，保证了原子性，详细的可以参见java.util.concurrent.atomic包下的类，比如AtomicInteger。CAS（Compare and swap）比较和替换是设计并发算法时用到的一种技术。简单来说，比较和替换是使用一个期望值和一个变量的当前值进行比较，如果当前变量的值与我们期望的值相等，就使用一个新值替换当前变量的值。

volatile是一个特殊的修饰符，只有成员变量才能使用它。在Java并发程序缺少同步类的情况下，多线程对成员变量的操作对其它线程是透明的。volatile变量可以保证下一个读取操作会在前一个写操作之后发生。

来源： http://blog.csdn.net/fly910905/article/details/79283557

代码如下： public class Singleton { private static volatile Singleton instance = null; private Singleton(){} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { // Single Checked synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { // Double checked instance = new Singleton(); } } } return instance; } }

4、静态内部类【推荐】

 

除了上面的三种方式，还有另外一种实现单例的方式，通过静态内部类来实现。首先看一下它的实现代码： public class Singleton{ private static class SingletonHolder{ public static Singleton instance = new Singleton(); } private Singleton(){} public static Singleton newInstance(){ return SingletonHolder.instance; } }  这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个instance实例。它与饿汉模式一样，也是利用了类加载机制，因此不存在多线程并发的问题。不一样的是，它是在内部类里面去创建对象实例。这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。

5、枚举

class Resource{ } public enum SomeThing { INSTANCE; private Resource instance; private SomeThing() { instance = new Resource(); } public Resource getInstance() { return instance; } } 上面的类Resource是我们要应用单例模式的资源，具体可以表现为网络连接，数据库连接，线程池等等。 获取资源的方式很简单，只要 SomeThing.INSTANCE.getInstance() 即可获得所要实例。下面我们来看看单例是如何被保证的：  首先，在枚举中我们明确了构造方法限制为私有，在我们访问枚举实例时会执行构造方法。同时每个枚举实例都是static final类型的，也就表明只能被实例化一次。在调用构造方法时，我们的单例被实例化。 也就是说，因为enum中的实例被保证只会被实例化一次，所以我们的INSTANCE也被保证实例化一次。 

 

可以看到，枚举实现单例还是比较简单的，除此之外我们再来看一下Enum这个类的声明： public abstract class Enum<E extends Enum<E>>implements Comparable<E>, Serializable

 

可以看到，枚举也提供了序列化机制。某些情况，比如我们要通过网络传输一个数据库连接的句柄，会提供很多帮助。 最后借用 《Effective Java》一书中的话， 单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。

示例：

public class EnumSingleton{ private EnumSingleton(){} public static EnumSingleton getInstance(){ return Singleton.INSTANCE.getInstance(); } private static enum Singleton{ INSTANCE; private EnumSingleton singleton; //JVM会保证此方法绝对只调用一次 private Singleton(){ singleton = new EnumSingleton(); } public EnumSingleton getInstance(){ return singleton; } } public static void main(String[] args) { EnumSingleton obj1 = EnumSingleton.getInstance(); EnumSingleton obj2 = EnumSingleton.getInstance(); //输出结果：obj1==obj2?true System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1==obj2)); } }

 

上面提到的四种实现单例的方式都有共同的缺点： 1）需要额外的工作来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例。2）可以使用反射强行调用私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

 

而枚举类很好的解决了这两个问题，使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。

 

6、单例模式的线程安全性

首先要说的是单例模式的线程安全意味着：某个类的实例在多线程环境下只会被创建一次出来。单例模式有很多种的写法，我总结一下：

（1）饿汉式：线程安全

（2）懒汉式：非线程安全

（3）双检锁：线程安全

（4）静态内部类：线程安全

（5）枚举：线程安全