单例模式

单例模式

意图

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

类图

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一的私有静态变量。

实现

(一)懒汉式-线程不安全

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;
    private Singleton() {
    }
    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if ，并且此时 uniqueInstance 为 null，将导致多次实例化 uniqueInstance。

(二)饿汉式-线程安全

 private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被多次实例化，采取直接实例化uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题，但也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

(三)懒汉式-线程安全

public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
    if (uniqueInstance == null) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
    return uniqueInstance;
}

对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了多次实例化 uniqueInstance 的问题。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，因此性能上有一定的损耗。

(四)双重校验锁-线程安全

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

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

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。

加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

若只使用一个 if 语句：

if (uniqueInstance == null) {
    synchronized (Singleton.class) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
}

在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程同时执行 if 语句，那么两个线程就会同时进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会先后进行实例化，从而产生两个实例。因此必须使用双重校验锁(使用两个 if 语句)。

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰的必要性：

uniqueInstance = new Singleton();

其实分为三步执行：

1. 分配内存空间
2. 初始化对象
3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

由于 JVM 具有指令重排的特性，有可能执行顺序变为了 1>3>2。

在多线程下，有可能获得是一个还没有被初始化的实例，以致于程序出错。使用了 volatile 可以禁止JVM的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

(五)静态内部类实现

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

静态内部实现的单例是懒加载的且线程安全。

只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance(只有第一次使用这个单例的实例的时候才加载，同时不会有线程安全问题)。