单例模式---面试老生常谈的问题

我觉得Java入门其实并不难，随便在一家培训机构学习几个月也就能上手了，包括我自己也有过培训的经历，我现在发现很多东西都是停留在会用的阶段，

并不了解其原理，真正想要在软件这个行业有所成就，只是会用那还远远不够。所以我决定从基础起，把以前遇到的问题和还没搞得很清楚的技术点，一样一样的学明白。

今天我们先来聊聊面试总会问的设计模式之单例模式。

 

作用：  单例模式的作用是为了保证在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。（SpringMVC的Controller就是单例的）

　　　　单例模式有很多好处，它能够避免实例的重复创建，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而导致逻辑错误。

　　　　如果一个对象能够贯穿整个应用程序，并起到一个全局统一管理的作用，那么这个时候，我们可以考虑使用单例模式。

 

　　　　我这里主要总结单例模式的5种写法：饿汉模式，懒汉模式，双重校验锁模式，静态内部类实现单例，枚举实现单例。

 

1、饿汉模式

　　

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

 　　单例模式中类的构造函数必须是私有的，就是为防止其他类不能实例化此类（说白了就是在别的类中不能去new这个类的对象出来，就不允许别人创建，你只能通过我提供的公共方法来获取实例），饿汉模式在类加载的时间就会创建这个实例，实例在整个程序周期都存在。它的好处是不存在线程安全的问题，但是缺点也很明显，即使这个实例没有被用到，也会被创建出来，这样内存就被浪费了。（饿汉模式是以空间换时间，加载时占用空间来换取使用时的快捷）。

　　这种方式适合单例占用内存比较小，并且在初始化的时候就会被使用到的情况。如果单例占用内存比较大，或者只在某个特定场景下才能使用，那么这个时候就要使用懒汉模式进行延迟加载了。

 

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;
      }
  }

　　懒汉模式是你在需要这个实例的时候才会去创建，之后再次使用这个实例的时候，就不会去重复创建了。它的好处就在于节省不必要的内存开销（以时间换空间，在第一次使用时速度会慢一些），它的缺点就在于会存在线程安全的问题。在多线程并发的情况下，会导致重复创建这个实例。可以在获取实例的方法上加锁解决线程同步的问题（synchronized关键字）。

 

 

3、双重校验锁模式

 

　　双重校验锁也是基于懒汉模式的一种模式，虽说懒汉模式加了同步锁之后就没什么问题了，但是synchronized修饰的同步方法存在性能问题，会比一般的方法慢很多，在并发调用的情况下，会消耗较大的性能，所以才有了双重校验锁模式。

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

 　　可以看到在上面的同步代码块外面多了层instance为空的判断。由于单例对象是需要创建一次，如果后面再调用getInstance()方法时只需要返回单例对象就可以，

大部分情况下都不会执行到同步代码块，提高了程序的性能。但是在多线程并发的情况下，A，B两个线程同时执行了第一个instance不为空语句，两个线程都会认为当

前这个单例对象没有被创建，然后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，再同步代码块中又加了一个if (instance == null) 实例为空的判断。

　　双重校验锁模式实现了延时加载，线程安全，挺高了效率，是否真的就万无一失呢？

　　这里要提到java的指令重排优化，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，从而提高程序的运行效率。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指令重排优化的存在，会导致初始化单例类和将对象地址赋值给instance时的顺序是不正确的。在某个对象创建单例对象时，在构造方法被调用前，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，在分配内存的同时就可以将地址赋值给instance变量，然而实际上该对象可能没有被初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstanc()方法，就会获得不正确的

对象，程序就会出错。

　　以上就是双重校验锁会失效的原因，还好在jdk1.5及以后增加了volatile关键字，volatile的一个语义就是禁止指令重排序优化，也就保证了instance变量被赋值时，对象已经被初始化。从而避免上面所说的问题。代码如下：

　　

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

 

4、静态内部类

 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了一个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安全问题。不一样的是它在内部类中去创建对象实例，

这样的话只要在应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会去创建单例类的对象，从而实现了懒汉模式的延时加载。也就是说这种方式可以同时保证延时加载和线程安全。

 

5、枚举

 public enum Singleton{
     instance;
    public void whateverMethod(){}    
 }

　　上面提到的四种实现单例的方法都有共同的缺点：

　　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的发生，可以修改构造器，让他在创建第二个实例的时候抛出异常）

　　而枚举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去创建新的对象。

　　因此，《Effective Java》作者推荐使用的方法。不过，在实际工作中，很少看见有人这么写。

　　

　　总结：

　　　　以上说到的是5种实现单例模式的方式，1，2两种并不是特别的完美，建议工作中使用3，4，5这三种。