设计模式-单例模式(Singleton)

　　首先明确一个问题，在某些情况下，有些对象，我们只需要一个就可以了。比如，一台计算机连接到多个打印机上，但是这个计算机上的打印程序只能有一个，因为可能会有多个打印作业同时输出到打印机中，这里就可以通过单例模式来避免这个问题。

　　简单来说，单例模式的作用就是保证在应用程序的生命周期中，任何一个时刻，单例类的实例只有一个（当然也可以不存在）。

单例模式的类图：

 

 

从上面的类图中可以看出，在单例类中有一个私有的构造函数 Singleton ，

 

有一个声明为public的 GetInstance（）的方法返回一个Singleton实例。

 

通过上面的类图不难看出单例模式的特点，从而也可以给出

单例模式的定义：单例模式保证一个类仅有一个实例，同时这个类还必须提供一个访问该类的全局访问点。

首先来看一个典型的实现：

/**
 * 
 * 基础的单例模式，Lazy模式，非线程安全
 * 优点：lazy，初次使用时实例化单例，避免资源浪费
 * 缺点：1、lazy，如果实例初始化非常耗时，初始使用时，可能造成性能问题
 *       2、非线程安全。多线程下可能会有多个实例被初始化。
 *       
 * @author Wahson Leung
 * @version 2013-4-20 
 * 
 */
public class Singleton {
    /** 单例实例变量 */
    private static Singleton instance = null;

    /**
     * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。
     */
    private Singleton() {
    }

    /*
     * 获取单例对象事例
     * 
     * @return 单例对象
     */
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

 

 

注释中已经有简单的分析了。接下来分析一下关于“非线程安全”的部分。

　　1、当线程A进入到第28行时，检查instance是否为空，此时是空的。
　　2、此时，线程B也进入到28行。切换到线程B执行。同样检查instance为空，于是往下执行29行），创建了一个实例。接着返回了。
　　3、在切换回线程A，由于之前检查到instance为空。所以也会执行29行创建实例。返回。
　　4、至此，已经有两个实例被创建了，这不是我们所希望的。 

 怎么解决线程安全问题？

　　方法一：同步方法。即在getInstance()方法上加上synchronized关键字。这时单例变成了　　

/**
 * 同步方法 的单例模式，Lazy模式，线程安全 
 * 优点：1、lazy，初次使用时实例化单例，避免资源浪费 2、线程安全
 * 缺点：1、lazy，如果实例初始化非常耗时，初始使用时，可能造成性能问题 
 * 2、每次调用getInstance()都要获得同步锁，性能消耗。
 * 
 * @author Wahson Leung
 * @version 2013-4-20
 * 
 */
public class Singleton {
    /** 单例实例变量 */
    private static Singleton instance = null;

    /**
     * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。
     */
    private Singleton() {
    }

    /*
     * 获取单例对象事例
     * 
     * 同步方法，实现线程互斥访问，保证线程安全。
     * 
     * @return 单例对象
     */
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                Singleton temp = instance;
                if (temp == null) {
                    synchronized (Singleton.class) {
                        temp = new Singleton();
                    }
                    instance = temp;
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

加上synchronized后确实实现了线程的互斥访问getInstance()方法。从而保证了线程安全。但是这样就完美了么？我们看。其实在典型实现里，会导致问题的只是当instance还没有被实例化的时候，多个线程访问第29行的代码才会导致问题。而当instance已经实例化完成后。每次调用getInstance()，其实都是直接返回的。即使是多个线程访问，也不会出问题。但给方法加上synchronized后。所有getInstance()的调用都要同步了。其实我们只是在第一次调用的时候要同步。而同步需要消耗性能。这就是问题。

　　方法二：双重检查加锁Double-checked locking。
　　其实经过分析发现，我们只要保证 instance = new Singleton(); 是线程互斥访问的就可以保证线程安全了。那把同步方法加以改造，只用synchronized块包裹这一句。就得到了下面的代码：

public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 1
            synchronized (Singleton.class) {
                instance = new Singleton(); // 2
            }
        }
        return instance;
}

但是经过分析发现这个方法是不行的！

原因是：
　　1、线程A和线程B同时进入//1的位置。这时instance是为空的。
　　2、线程A进入synchronized块，创建实例，线程B等待。
　　3、线程A返回，线程B继续进入synchronized块，创建实例。。。
　　4、这时已经有两个实例创建了。 

　　为了解决这个问题。我们需要在//2的之前，再加上一次检查instance是否被实例化。（双重检查加锁）接下来，代码变成了这样：

 

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

 

这样，当线程A返回，线程B进入synchronized块后，会先检查一下instance实例是否被创建，这时实例已经被线程A创建过了。所以线程B不会再创建实例，而是直接返回。貌似！到此为止，这个问题已经被我们完美的解决了。遗憾的是，事实完全不是这样！这个方法在单核和多核的cpu下都不能保证很好的工作。导致这个方法失败的原因是当前java平台的内存模型。java平台内存模型中有一个叫“无序写”（out-of-order writes）的机制。正是这个机制导致了双重检查加锁方法的失效。这个问题的关键在上面代码上的第5行：instance = new Singleton(); 这行其实做了两个事情：1、调用构造方法，创建了一个实例。2、初始化变量instance来引用这个实例。可问题就是，这两步jvm是不保证顺序的。也就是说。可能在调用构造方法之前，instance已经被设置为非空了。下面我们看一下出问题的过程：
　　1、线程A进入getInstance()方法。
　　2、因为此时instance为空，所以线程A进入synchronized块。
　　3、线程A执行 instance = new Singleton(); 把实例变量instance设置成了非空。（注意，是在调用构造方法之前。）
　　4、线程A退出，线程B进入。
　　5、线程B检查instance是否为空，此时不为空（第三步的时候被线程A设置成了非空）。线程B返回instance的引用。（问题出现了，这时instance的引用并不是Singleton的实例，因为没有调用构造方法。） 
　　6、线程B退出，线程A进入。
　　7、线程A继续调用构造方法，完成instance的初始化，再返回。 

　　好吧，继续努力，解决由“无序写”带来的问题。

 

public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) { //1
                Singleton temp = instance;  //2
                if (temp == null) {
                    synchronized (Singleton.class) { //3
                        temp = new Singleton();  //4
                    }
                    instance = temp;     //5
                }
            }
        }
        return instance;
    }

 

解释一下执行步骤:
　　1、线程A进入getInstance()方法。
　　2、因为instance是空的 ，所以线程A进入位置//1的第一个synchronized块。
　　3、线程A执行位置//2的代码，把instance赋值给本地变量temp。instance为空，所以temp也为空。 
　　4、因为temp为空，所以线程A进入位置//3的第二个synchronized块。
　　5、线程A执行位置//4的代码，把temp设置成非空，但还没有调用构造方法！（“无序写”问题） 
　　6、线程A阻塞，线程B进入getInstance()方法。
　　7、因为instance为空，所以线程B试图进入第一个synchronized块。但由于线程A已经在里面了。所以无法进入。线程B阻塞。
　　8、线程A激活，继续执行位置//4的代码。调用构造方法。生成实例。
　　9、将temp的实例引用赋值给instance。退出两个synchronized块。返回实例。
　　10、线程B激活，进入第一个synchronized块。
　　11、线程B执行位置//2的代码，把instance实例赋值给temp本地变量。
　　12、线程B判断本地变量temp不为空，所以跳过if块。返回instance实例。

　　好吧，问题终于解决了，线程安全了。但是我们的代码由最初的3行代码变成了现在的一大坨。于是又有了下面的方法。

　　方法三：预先初始化static变量。

 

/**
 * 预先初始化static变量 的单例模式 非Lazy 线程安全 优点： 1、线程安全 缺点：
 * 1、非懒加载(饿汉式)，如果构造的单例很大，构造完又迟迟不使用，会导致资源浪费。
 * 
 * @author Wahson Leung
 * @version 2013-4-20 
 * 
 */
public class HungrySingleton {
    /** 单例变量 ,static的，在类加载时进行初始化一次，保证线程安全 */
    private static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();

    /**
     * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。
     */
    private HungrySingleton() {
    }

    /**
     * 获取单例对象实例
     * 
     * @return 单例对象
     */
    public static HungrySingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

 

看到这个方法，世界又变得清净了。由于java的机制，static的成员变量只在类加载的时候初始化一次，且类加载是线程安全的。所以这个方法实现的单例是线程安全的。但是这个方法却牺牲了Lazy的特性。单例类加载的时候就实例化了。如注释所述：非懒加载，如果构造的单例很大，构造完又迟迟不使用，会导致资源浪费。

　　那到底有没有完美的办法？懒加载，线程安全，代码简单。

　　方法四：使用内部类。

/**
 * 基于内部类的单例模式 Lazy 线程安全 优点： 1、线程安全 2、lazy
 * 
 * @author Wahson Leung
 * @version 2013-4-20
 * 
 */
public class InnerSingleton {

    /**
     * 内部类，用于实现lazy机制
     */
    private static class SingletonHolder {
        /** 单例变量 */
        private static InnerSingleton instance = new InnerSingleton();
    }

    /**
     * 私有化的构造方法，保证外部的类不能通过构造器来实例化。
     */
    private InnerSingleton() {
    }

    /**
     * 获取单例对象实例
     * 
     * @return 单例对象
     */
    public static InnerSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

解释一下，因为java机制规定，内部类SingletonHolder只有在getInstance()方法第一次调用的时候才会被加载（实现了lazy），而且其加载过程是线程安全的（实现线程安全）。内部类加载的时候实例化一次instance。

总结一下：
　　1、如果单例对象不大，允许非懒加载，可以使用方法三。
　　2、如果需要懒加载，且允许一部分性能损耗，可以使用方法一。（官方说目前高版本的synchronized已经比较快了）
　　3、如果需要懒加载，且不怕麻烦，可以使用方法二。
　　4、如果需要懒加载，没有且！推荐使用方法四。