单例模式

为什么需要设计模式

软件开发中经常遇到需求变化的情况，为了应对这种情况，设计出更加易于维护(修改)、更灵活的代码，前人根据开发经验总结了一些准则，根据这些准则可以设计出易维护、更灵活、可复用的代码，这些准则就称为设计模式。设计模式的目的就是设计出高内聚、低耦合的代码。

单例模式

单例模式是最简单的设计模式，单例模式：确保类只有一个实例，并且类本身负责其实例化并提供一个全局访问点。

适用场景

1）有些类只能有一个实例，例如任务管理器、对话框、ID生成器、总统。

2）有些对象的创建会耗费大量资源，为了节省资源只创建一个可复用的对象，对那些需要频繁创建和销毁的对象尤其节省资源。

优点

1）由于只有一个实例，可以节省系统资源。

2）提供了对唯一实例的受控访问，即只能通过全局访问点对实例进行访问。

3）可以扩展实现可变数目的实例。

缺点

1）与单一职责有冲突(创建类实例和提供实例放在同一个方法中实现)。

2）不易扩展。单例模式没有提供抽象层，扩展很困难，只能通过直接修改代码实现扩展。

实现方式

单例模式的传统实现方式有饿汉模式和懒汉模式，这两种实现包含同样的关键点：

1）将构造器声明为私有类型，防止在类外实例化对象，只能在类内部实例化对象。

2）提供一个私有的静态成员变量。

3）提供一个公有的静态成员方法作为全局访问点。

饿汉模式

在类装载时创建单例的方法称为饿汉模式。饿汉模式的方法是在声明实例对象时直接调用构造器将其初始化,实现代码如下：

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

优点

实现简单且线程安全

缺点

1）如果实例占用较多资源，过早创建实例(未使用实例)会导致资源的浪费。

2）如果实例依赖于参数或者配置文件，这种方式就不适用。

懒汉模式

单例在第一次使用时创建的方法称为懒汉模式。实现代码如下：

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

优点

1）解决了饿汉模式中无法创建依赖于参数或者配置文件的单例的情形。

2）在使用时才创建单例，避免了资源的浪费。

缺点

在多线程环境下并不合适，可能会生成多个对象实例。

懒汉模式，线程安全

通过关键字synchronized将getInstance声明为同步方法，当有线程A在访问这个方法时，其他要访问此方法的线程等待A访问完成后在访问此方法，这样就实现了线程安全的懒汉模式，实现代码如下：

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

优点

解决了懒汉模式的线程不安全问题

缺点

同步带来的是性能下降，并且懒汉模式下只需要在初次创建单例的时候同步getInstance方法，之后使用时完全不必同步。

双重检验锁

将同步的关键字synchronized改写到getInstance方法内部，如下：

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

初始时instance为null，多个线程在“第2行"处均为真，虽然使用了同步关键字，不过仍然会串行的产生多个实例，因此需要再添加一个检测，如下：

public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {                         //Single Checked
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {                 //Double Checked
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance ;
}

添加了两个检测之后，还是不能保证线程安全，因为instance=new Singleton()并不是原子操作，包含四个步骤：

1）为instance创建内存(instance为null)

2）在堆上开辟内存用于存储Singleton对象。

3）调用Singleton的构造函数初始化成员变量，形成实例

4）将instance指向Singleton实例所在(此时instance非null)

由于JVM的指令重排序，可能导致执行顺序为1-2-4-3而非1-2-3-4，则在线程A执行到4时，未执行3之前，被线程B抢占，由于此时instance!=null，所以会直接返回instance，不过此时instance指向的对象实例并未初始化，导致错误。通过使用关键字volatile修饰instance关闭指令重排序，使instance=new Singleton()按照原有顺序执行。完整代码如下：

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {                        //first check 
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {               //second check              
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
   
}

枚举实现

public enum Singleton{
   INSTANCE;
}

参考：

1）http://coolshell.cn/articles/265.html

2）http://wuchong.me/blog/2014/08/28/how-to-correctly-write-singleton-pattern/

3）http://aleung.github.io/blog/2012/09/17/Java-volatile-/

4）http://www.importnew.com/20720.html

5）http://design-patterns.readthedocs.io/zh_CN/latest/creational_patterns/singleton.html#id10