设计模式笔记-单例模式

好久没写博文，最近学习一些设计模式，顺便记录一下。单实例Singleton设计模式可能是被讨论和使用的最广泛的一个设计模式了，这可能也是面试中问得最多的一个设计模式了。我们尝试从场景出发，来看看要怎么设计这个类。

场景

我们要得到一个类，整个系统中只能出现一个类的实例。这样的场景非常多，比如说一个国家，只有能有一个现任总统。仔细想想，要满足这一条件，我们觉得应该满足几个条件。

和大部分类不同，它的构造函数需要是私有的。否则，在任何地方大家都能够new这个实例，那么系统中就不能始终保持只存在一个实例的情况了。

既然没有公有构造函数，那么我如何实例化这个类呢？我们需要一个静态的方式让其形成实例，给个方法吧--getInstance()，这个方法要判断现在系统中有没有这个实例，如果有，则返回；如果没有则调用私有的构造方法来实例化这个类，并存好，等下次来getInstance()调用时返回。

所以我们还需要一个私有的变量来存储这个实例。

我们使用时就可以用**Singleton.getInstance()**得到它了。

根据这些条件我觉得我们可以得到朴素的教科书版本的代码：

基础版本（懒汉式，线程不安全）

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

看上去很美好，解决了我们上诉的要求，满足懒加载（只有用到的时候才会去创建这个实例）。然而该方法有一个致命的弱点，当系统中几个线程同时调用这个方法时，就很有可能会实例化出多个实例来，也就是说线程不安全。为了解决这个问题最简单的方法就是加Synchronize关键字。代码如下：

懒汉式，线程安全

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

好了，线程安全了，然而我们发现在每次调用getInstance()的方法时，我们都会上锁。但其实我们只需要在创建的时候上锁，而不创建的时候我们其实不需要上锁。如果在多线程的系统中有频繁的调用，那么这段代码的性能会比较低。那我们只在创建的时候加锁行不行？像这样：

懒汉式，线程不安全

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

看起来不错哦。应该没有问题了吧？！错！这还是有问题！为什么呢？前面已经说过，如果有多个线程同时通过(singleton== null)的条件检查（因为他们并行运行），虽然我们的synchronized方法会帮助我们同步所有的线程，让我们并行线程变成串行的一个一个去new，那不还是一样的吗？同样会出现很多实例。线程依然不安全，没有解决第一种方法的问题！！！！好了我知道了，这样，双重校验：

双重检验锁(double checked locking)

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (instance == null) {                         //Single Checked
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {                 //Double Checked
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance ;
    }
}

但是这种方法要对volatile关键字有想到深刻的理解，并且对Java的内存模型深度理解。同时这种方法在jdk1.5之前是不能有bug的。如果你在面试中使用了这种方法，但是又不能很好的解释这方法的话。面试官不会喜欢你。-,- 相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式，如果你仍有兴趣，请查看这里当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

饿汉式 static final field法

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

public class Singleton{
    //类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

也就是说这种方法巧妙的避开了新建的过程，所以也不存在多线程调用时会产生的问题。大部分的情况下，这种方法能满足要求。但是吹毛求疵一下，这种方法在没用到它的时候它就已经实例化好了，它不是懒加载的形式。

静态内部类 static nested class

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

老版《Effective Java》中推荐的方法，上面这种方式，仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它只有在getInstance()被调用时才会真正创建；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

最优雅版本--枚举 Enum

用枚举写单例实在太简单了！这也是它最大的优点。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法。

1
2
3

public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

居然用枚举！！看上去好牛逼，通过EasySingleton.INSTANCE来访问，这比调用getInstance()方法简单多了。

默认枚举实例的创建是线程安全的，所以不需要担心线程安全的问题。但是在枚举中的其他任何方法的线程安全由程序员自己负责。还有防止上面的通过反射机制调用私用构造器。

这个版本基本上消除了绝大多数的问题。代码也非常简单，实在无法不用。这也是新版的《Effective Java》中推荐的模式。

总结

小小的一个场景演化出了这么多方法。在一般的情况下饿汉式的方法用的比较多，在有懒加载要求时，静态内部类方法不错。

延伸阅读

如何正确地写出单例模式

深入浅出单实例Singleton设计模式

10-interview-questions-on-singleton

Double Checked Locking on Singleton Class in Java

Why Enum Singleton are better in Java