Java單例模式

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  Java中單例(Singleton)模式是一種廣泛使用的設計模式。單例模式的主要作用是保證在Java程式中，某個類只有一個執行個體存在。一些管理器和控制器常被設計成單例模式。

       單例模式有很多好處，它能夠避免執行個體對象的重複建立，不僅可以減少每次建立對象的時間開銷，還可以節約記憶體空間；能夠避免由於操作多個執行個體導致的邏輯錯誤。如果一個對象有可能貫穿整個應用程式，而且起到了全域統一管理控制的作用，那麼單例模式也許是一個值得考慮的選擇。

       單例模式有很多種寫法，大部分寫法都或多或少有一些不足。下面將分別對這幾種寫法進行介紹。

1、餓漢模式

 

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1. public class Singleton{  
2.     private static Singleton instance = new Singleton();  
3.     private Singleton(){}  
4.     public static Singleton newInstance(){  
5.         return instance;  
6.     }  
7. }  

       從代碼中我們看到，類的建構函式定義為private的，保證其他類不能執行個體化此類，然後提供了一個靜態執行個體並返回給調用者。餓漢模式是最簡單的一種實現方式，餓漢模式在類載入的時候就對執行個體進行建立，執行個體在整個程式周期都存在。它的好處是只在類載入的時候建立一次執行個體，不會存在多個線程建立多個執行個體的情況，避免了多線程同步的問題。它的缺點也很明顯，即使這個單例沒有用到也會被建立，而且在類載入之後就被建立，記憶體就被浪費了。

 

       這種實現方式適合單例佔用記憶體比較小，在初始化時就會被用到的情況。但是，如果單例佔用的記憶體比較大，或單例只是在某個特定情境下才會用到，使用餓漢模式就不合適了，這時候就需要用到懶漢模式進行消極式載入。

2、懶漢模式

 

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1. public class Singleton{  
2.     private static Singleton instance = null;  
3.     private Singleton(){}  
4.     public static Singleton newInstance(){  
5.         if(null == instance){  
6.             instance = new Singleton();  
7.         }  
8.         return instance;  
9.     }  
10. }  

 

       懶漢模式中單例是在需要的時候才去建立的，如果單例已經建立，再次調用擷取介面將不會重新建立新的對象，而是直接返回之前建立的對象。如果某個單例使用的次數少，並且建立單例消耗的資源較多，那麼就需要實現單例的按需建立，這個時候使用懶漢模式就是一個不錯的選擇。但是這裡的懶漢模式並沒有考慮安全執行緒問題，在多個線程可能會並發調用它的getInstance()方法，導致建立多個執行個體，因此需要加鎖解決線程同步問題，實現如下。

 

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1. public class Singleton{  
2.     private static Singleton instance = null;  
3.     private Singleton(){}  
4.     public static synchronized Singleton newInstance(){  
5.         if(null == instance){  
6.             instance = new Singleton();  
7.         }  
8.         return instance;  
9.     }  
10. }  

 

3、雙重校正鎖

       加鎖的懶漢模式看起來即解決了線程並發問題，又實現了消極式載入，然而它存在著效能問題，依然不夠完美。synchronized修飾的同步方法比一般方法要慢很多，如果多次調用getInstance()，累積的效能損耗就比較大了。因此就有了雙重校正鎖，先看下它的實現代碼。

 

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1. public class Singleton {  
2.     private static Singleton instance = null;  
3.     private Singleton(){}  
4.     public static Singleton getInstance() {  
5.         if (instance == null) {  
6.             synchronized (Singleton.class) {  
7.                 if (instance == null) {//2  
8.                     instance = new Singleton();  
9.                 }  
10.             }  
11.         }  
12.         return instance;  
13.     }  
14. }  

       可以看到上面在同步代碼塊外多了一層instance為空白的判斷。由於單例對象只需要建立一次，如果後面再次調用getInstance()只需要直接返回單例對象。因此，大部分情況下，調用getInstance()都不會執行到同步代碼塊，從而提高了程式效能。不過還需要考慮一種情況，假如兩個線程A、B，A執行了if (instance == null)語句，它會認為單例對象沒有建立，此時線程切到B也執行了同樣的語句，B也認為單例對象沒有建立，然後兩個線程依次執行同步代碼塊，並分別建立了一個單例對象。為瞭解決這個問題，還需要在同步代碼塊中增加if (instance == null)語句，也就是上面看到的代碼2。

 

       我們看到雙重校正鎖即實現了消極式載入，又解決了線程並發問題，同時還解決了執行效率問題，是否真的就萬無一失了呢？

       這裡要提到Java中的指令重排最佳化。所謂指令重排最佳化是指在不改變原語義的情況下，通過調整指令的執行順序讓程式啟動並執行更快。JVM中並沒有規定編譯器最佳化相關的內容，也就是說JVM可以自由的進行指令重排序的最佳化。

       這個問題的關鍵就在於由於指令重排最佳化的存在，導致初始化Singleton和將對象地址賦給instance欄位的順序是不確定的。在某個線程建立單例對象時，在構造方法被調用之前，就為該對象分配了記憶體空間並將對象的欄位設定為預設值。此時就可以將分配的記憶體位址賦值給instance欄位了，然而該對象可能還沒有初始化。若緊接著另外一個線程來調用getInstance，取到的就是狀態不正確的對象，程式就會出錯。

       以上就是雙重校正鎖會失效的原因，不過還好在JDK1.5及之後版本增加了volatile關鍵字。volatile的一個語義是禁止指令重排序最佳化，也就保證了instance變數被賦值的時候對象已經是初始化過的，從而避免了上面說到的問題。代碼如下：

 

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1. public class Singleton {  
2.     private static volatile Singleton instance = null;  
3.     private Singleton(){}  
4.     public static Singleton getInstance() {  
5.         if (instance == null) {  
6.             synchronized (Singleton.class) {  
7.                 if (instance == null) {  
8.                     instance = new Singleton();  
9.                 }  
10.             }  
11.         }  
12.         return instance;  
13.     }  
14. }  

 

4、靜態內部類

       除了上面的三種方式，還有另外一種實現單例的方式，通過靜態內部類來實現。首先看一下它的實現代碼：

 

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1. public class Singleton{  
2.     private static class SingletonHolder{  
3.         public static Singleton instance = new Singleton();  
4.     }  
5.     private Singleton(){}  
6.     public static Singleton newInstance(){  
7.         return SingletonHolder.instance;  
8.     }  
9. }  

 

       這種方式同樣利用了類載入機制來保證只建立一個instance執行個體。它與餓漢模式一樣，也是利用了類載入機制，因此不存在多線程並發的問題。不一樣的是，它是在內部類裡面去建立對象執行個體。這樣的話，只要應用中不使用內部類，JVM就不會去載入這個單例類，也就不會建立單例對象，從而實現懶漢式的消極式載入。也就是說這種方式可以同時保證消極式載入和安全執行緒。

5、枚舉

       再來看本文要介紹的最後一種實現方式：枚舉。

 

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1. public enum Singleton{  
2.     instance;  
3.     public void whateverMethod(){}      
4. }  

 

       上面提到的四種實現單例的方式都有共同的缺點：

1）需要額外的工作來實現序列化，否則每次還原序列化一個序列化的對象時都會建立一個新的執行個體。

2）可以使用反射強行調用私人構造器（如果要避免這種情況，可以修改構造器，讓它在建立第二個執行個體的時候拋異常）。

       而枚舉類很好的解決了這兩個問題，使用枚舉除了安全執行緒和防止反射調用構造器之外，還提供了自動序列化機制，防止還原序列化的時候建立新的對象。因此，《Effective Java》作者推薦使用的方法。不過，在實際工作中，很少看見有人這麼寫。

 

 

總結

       本文總結了五種Java中實現單例的方法，其中前兩種都不夠完美，雙重校正鎖和靜態內部類的方式可以解決大部分問題，平時工作中使用的最多的也是這兩種方式。枚舉方式雖然很完美的解決了各種問題，但是這種寫法多少讓人感覺有些生疏。個人的建議是，在沒有特殊需求的情況下，使用第三種和第四種方式實現單例模式。

 

轉載於：http://blog.csdn.net/goodlixueyong/article/details/51935526

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