設計模式——小單例有大秘密

單例模式大家並不陌生，也都知道它分為什麼懶漢式、餓漢式之類的。但是你對單例模式的理解足夠透徹嗎？今天我帶大家一起來看看我眼中的單例，可能會跟你的認識有所不同。

下面是一個簡單的小執行個體：

//簡單懶漢式public class Singleton {//單例執行個體變數private static Singleton instance = null;//私人化的構造方法，保證外部的類不能通過構造器來執行個體化private Singleton() {}//擷取單例對象執行個體public static Singleton getInstance() {            if (instance == null) {         instance = new Singleton();     }        System.out.println("我是簡單懶漢式單例！");    return instance;    }}

很容易看出，上面這段代碼在多線程的情況下是不安全的，當兩個線程進入if (instance == null)時，兩個線程都判斷instance為空白，接下來就會得到兩個執行個體了。這不是我們想要的單例。

接下來我們用加鎖的方式來實現互斥，從而保證單例的實現。

//同步法懶漢式public class Singleton {//單例執行個體變數private static Singleton instance = null;//私人化的構造方法，保證外部的類不能通過構造器來執行個體化private Singleton() {}//擷取單例對象執行個體public static synchronized  Singleton getInstance() {                if (instance == null) {             instance = new Singleton();         }                System.out.println("我是同步法懶漢式單例！");        return instance;    }}

加上synchronized後確實保證了安全執行緒，但是這樣就是最好的方法嗎？很顯然它不是，因為這樣一來每次調用getInstance()方法是都會被加鎖，而我們只需要在第一次調用getInstance()的時候加鎖就可以了。這顯然影響了我們程式的效能。我們繼續尋找更好的方法。

經過分析發現，只需要保證instance = new Singleton()是線程互斥就可以保證安全執行緒，所以就有了下面這個版本：

//雙重鎖定懶漢式public class Singleton {//單例執行個體變數private static Singleton instance = null;//私人化的構造方法，保證外部的類不能通過構造器來執行個體化private Singleton() {}//擷取單例對象執行個體public static Singleton getInstance() {        if (instance == null) {             synchronized (Singleton.class) {                if (instance == null) {                     instance = new Singleton();                 }            }        }        System.out.println("我是雙重鎖定懶漢式單例！");        return instance;    }}

這次看起來既解決了安全執行緒問題，又不至於每次調用getInstance()都會加鎖導致降低效能。看起來是一個完美的解決方案，事實上是這樣的嗎？

很遺憾，事實並非我們想的那麼完美。java平台記憶體模型中有一個叫“無序寫”（out-of-order writes）的機制。正是這個機制導致了雙重檢查加鎖方法的失效。這個問題的關鍵在上面代碼上的第5行：instance = new Singleton(); 這行其實做了兩個事情：1、調用構造方法，建立了一個執行個體。2、把這個執行個體賦值給instance這個執行個體變數。可問題就是，這兩步jvm是不保證順序的。也就是說。可能在調用構造方法之前，instance已經被設定為非空了。下面我們一起來分析一下：

假設有兩個線程A、B

1、線程A進入getInstance()方法。

2、因為此時instance為空白，所以線程A進入synchronized塊。

3、線程A執行 instance = new Singleton(); 把執行個體變數instance設定成了非空。（注意，是在調用構造方法之前。）

4、線程A退出，線程B進入。

5、線程B檢查instance是否為空白，此時不為空白（第三步的時候被線程A設定成了非空）。線程B返回instance的引用。（問題出現了，這時instance的引用並不是Singleton的執行個體，因為沒有調用構造方法。） 

6、線程B退出，線程A進入。

7、線程A繼續調用構造方法，完成instance的初始化，再返回。 

難道就沒有一個好方法了嗎？好的方法肯定是有的，我們繼續探索！

//解決無序寫問題懶漢式public class Singleton {//單例執行個體變數private static Singleton instance = null;//私人化的構造方法，保證外部的類不能通過構造器來執行個體化private Singleton() {}//擷取單例對象執行個體public static Singleton getInstance() {if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) {                  //1Singleton temp = instance;                //2if (temp == null) {synchronized (Singleton.class) {  //3 temp = new Singleton();   //4    }instance = temp;                  //5      }}}System.out.println("我是解決無序寫懶漢式單例！");return instance;}}

1、線程A進入getInstance()方法。

2、因為instance是空的 ，所以線程A進入位置//1的第一個synchronized塊。

3、線程A執行位置//2的代碼，把instance賦值給本地變數temp。instance為空白，所以temp也為空白。 

4、因為temp為空白，所以線程A進入位置//3的第二個synchronized塊。（後來想想這個鎖有點多餘）

5、線程A執行位置//4的代碼，把temp設定成非空，但還沒有調用構造方法！（“無序寫”問題） 

6、如果線程A阻塞，線程B進入getInstance()方法。

7、因為instance為空白，所以線程B試圖進入第一個synchronized塊。但由於線程A已經在裡面了。所以無法進入。線程B阻塞。

8、線程A啟用，繼續執行位置//4的代碼。調用構造方法。產生執行個體。

9、將temp的執行個體引用賦值給instance。退出兩個synchronized塊。返回執行個體。

10、線程B啟用，進入第一個synchronized塊。

11、線程B執行位置//2的代碼，把instance執行個體賦值給temp本地變數。

12、線程B判斷本地變數temp不為空白，所以跳過if塊。返回instance執行個體。

到此為止，上面的問題我們是解決了，但是我們突然發現為瞭解決安全執行緒問題，但給人的感覺就像身上纏了很多毛線.... 亂糟糟的，所以我們要精簡一下：

//餓漢式public class Singleton {//單例變數 ,static的，在類載入時進行初始化一次，保證安全執行緒 private static Singleton instance = new Singleton();    //私人化的構造方法，保證外部的類不能通過構造器來執行個體化。     private Singleton() {}//擷取單例對象執行個體     public static Singleton getInstance() {    System.out.println("我是餓漢式單例！");    return instance;}}

看到上面的代碼，瞬間覺得這個世界清靜了。不過這種方式採用的是餓漢式的方法，就是預先聲明Singleton對象，這樣帶來的一個缺點就是：如果構造的單例很大，構造完又遲遲不使用，會導致資源浪費。

到底有沒有完美的方法呢？繼續看：

//內部類實現懶漢式public class Singleton {    private static class SingletonHolder{        //單例變數          private static Singleton instance = new Singleton();    }        //私人化的構造方法，保證外部的類不能通過構造器來執行個體化。    private Singleton() {            }        //擷取單例對象執行個體    public static Singleton getInstance() {    System.out.println("我是內部類單例！");        return SingletonHolder.instance;    }}

懶漢式（避免上面的資源浪費）、安全執行緒、代碼簡單。因為java機制規定，內部類SingletonHolder只有在getInstance()方法第一次調用的時候才會被載入（實現了lazy），而且其載入過程是安全執行緒的（實現安全執行緒）。內部類載入的時候執行個體化一次instance。

簡單說一下上面提到的無序寫，這是jvm的特性，比如聲明兩個變數，String a; String b; jvm可能先載入a也可能先載入b。同理，instance = new Singleton();可能在調用Singleton的建構函式之前就把instance置成了非空。這是很多人會有疑問，說還沒有執行個體化出Singleton的一個對象，那麼instance怎麼就變成非空了呢？它的值現在是什麼呢？想瞭解這個問題就要明白instance
= new Singleton();這句話是怎麼執行的，下面用一段虛擬碼向大家解釋一下：

mem = allocate();             //為Singleton對象分配記憶體。instance = mem;               //注意現在instance是非空的，但是還沒有被初始化。ctorSingleton(instance);    //調用Singleton的建構函式，傳遞instance.

由此可見當一個線程執行到instance = mem; 時instance已為非空，如果此時另一個線程進入程式判斷instance為非空，那麼直接就跳轉到return instance;而此時Singleton的構造方法還未調用instance，現在的值為allocate();返回的記憶體對象。所以第二個線程得到的不是Singleton的一個對象，而是一個記憶體對象。

以上就是就是我對單例模式的一點小小的思考跟理解，熱烈歡迎各位大神前來指導批評。