设计模式系列 - 单例模式

Posted 2021-08-04 三太子敖丙

我不知道大家工作或者面试时候遇到过单例模式没，面试的话我记得我当时在17年第一次实习的时候，就遇到了单例模式，面试官是我后来的leader，当时就让我手写单例，我记得我就写出了饿汉式，懒汉式，但是并没说出懒汉和饿汉的区别，当时他给我一通解释我才知道了其中的奥秘。

写这篇文章之前我刻意的在我手上的项目里面去找了找，我发现单例在每个项目里面都有运用到，而且我后面所说的几种实现还基本上都涉及了，还挺有意思的。

开篇我就给大家一个思考题：为什么不用静态方法而用单例模式？

问题的答案我会在最后公布，大家可以带着问题看下去，看看大家的思考是不是跟我一样的。

大家肯定也能经常听到身边的同学说单例很简单，自己也会，但是真到自己的时候你能就一个知识点讲的很透彻，并且能够发散思考引出更多的答案吗？或者能说出他每种模式更适合的场景么？这是值得深思的。

首先给单例下一个定义：在当前进程中，通过单例模式创建的类有且只有一个实例。

单例有如下几个特点：

• 在Java应用中，单例模式能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在
• 构造器必须是私有的，外部类无法通过调用构造器方法创建该实例
• 没有公开的set方法，外部类无法调用set方法创建该实例
• 提供一个公开的get方法获取唯一的这个实例

那单例模式有什么好处呢？

• 某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销
• 省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力
• 系统中某些类，如spring里的controller，控制着处理流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了
• 避免了对资源的重复占用

好了，单例模式的定义也清楚了，好处也了解了，先看一个饿汉式的写法

饿汉式

public class Singleton {
  // 创建一个实例对象
    private static Singleton instance = new Singleton();
    /**
     * 私有构造方法，防止被实例化
     */
    private Singleton(){}
    /**
     * 静态get方法
     */
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

之所以叫饿汉式大家可以理解为他饿，他想提前把对象new出来，这样别人哪怕是第一次获取这个类对象的时候直接就存在这个类了，省去了创建类这一步的开销。

等我介绍完懒汉之后，对比一下大家就知道两者的区别，以及各自适用在什么场景了。

懒汉式

线程不安全的模式

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

懒汉式大家可以理解为他懒，别人第一次调用的时候他发现自己的实例是空的，然后去初始化了，再赋值，后面的调用就和饿汉没区别了。

懒汉和饿汉的对比：大家可以发现两者的区别基本上就是第一次创作时候的开销问题，以及线程安全问题（线程不安全模式的懒汉）。

那有了这个对比，那他们的场景好理解了，在很多电商场景，如果这个数据是经常访问的热点数据，那我就可以在系统启动的时候使用饿汉模式提前加载（类似缓存的预热）这样哪怕是第一个用户调用都不会存在创建开销，而且调用频繁也不存在内存浪费了。

而懒汉式呢我们可以用在不怎么热的地方，比如那个数据你不确定很长一段时间是不是有人会调用，那就用懒汉，如果你使用了饿汉，但是过了几个月还没人调用，提前加载的类在内存中是有资源浪费的。

线程安全问题

上面的懒汉我是故意没加锁的，大家肯定都知道懒汉的线程安全问题的吧？

？？？忘了？那好吧，暖男带你回忆一波吧。

在运行过程中可能存在这么一种情况：多个线程去调用getInstance方法来获取Singleton的实例，那么就有可能发生这样一种情况，当第一个线程在执行if（instance==null）时，此时instance是为null的进入语句。

在还没有执行instance=new Singleton()时（此时instance是为null的）第二个线程也进入了if(instance==null)这个语句，因为之前进入这个语句的线程中还没有执行instance=new Singleton()，所以它会执行instance = new Singleton()来实例化Singleton对象，因为第二个线程也进入了if语句所以它会实例化Singleton对象。

这样就导致了实例化了两个Singleton对象，那怎么解决？

简单粗暴，加锁就好了，这是加锁之后的代码。

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    /**
     * 私有构造方法，防止被实例化
     */
    private Singleton(){}
    /**
     * 静态get方法
     */
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

这是一种典型的时间换空间的写法，不管三七二十一，每次创建实例时先锁起来，再进行判断，严重降低了系统的处理速度。

有没有更好的处理方式呢？

有，通过双检锁做两次判断，代码如下：

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
        if(instance == null){
            //同步块，线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。

但是，这样就没有问题了吗？

看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。

但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。

这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

1. A、B线程同时进入了第一个if判断

2. A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();

3. 由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

   image-20201212010622553

4. B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

5. 此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

加上volatile修饰Singleton，再做一次优化：

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        //先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
        if(instance == null){
            //同步块，线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

**通过volatile修饰的变量，不会被线程本地缓存，所有线程对该对象的读写都会第一时间同步到主内存，从而保证多个线程间该对象的准确性 **

volatile的作用

• 防止指令重排序，因为instance = new Singleton()不是原子操作
• 保证内存可见

这个是比较完美的写法了，这种方式能够安全的创建唯一的一个实例，又不会对性能有太大的影响。

但是由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高，还有更优的写法吗？

通过静态内部类

public class Singleton {  
  
    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
    private Singleton() {  
    }  
  
    /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
  
    /* 获取实例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
  
    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}  

使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。

这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕， 这样我们就不用担心上面的问题。

同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式。

还有更完美的写法吗，通过枚举：

public enum Singleton {
    /**
     * 定义一个枚举的元素，它就代表了Singleton的一个实例。
     */
    Instance;
}

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁，而且JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

最后这种也是我最青睐的一种（代码少）。

总结

最后大家应该都知道单例模式的写法了，也知道优劣势和使用场景了，那开头的那个问题大家心里有答案了么？

什么？连问题都忘了？问题：为什么不用静态方法而用单例模式？

两者其实都能实现我们加载的最终目的，但是他们一个是基于对象，一个是面向对象的，就像我们不面向对象也能解决问题一样，面向对象的代码提供一个更好的编程思想。

如果一个方法和他所在类的实例对象无关，那么它就应该是静态的，反之他就应该是非静态的。如果我们确实应该使用非静态的方法，但是在创建类时又确实只需要维护一份实例时，就需要用单例模式了。

我们的电商系统中就有很多类，有很多配置和属性，这些配置和属性是一定存在了，又是公共的，同时需要在整个生命周期中都存在，所以只需要一份就行，这个时候如果需要我再需要的时候new一个，再给他分配值，显然是浪费内存并且再赋值没什么意义。

所以我们用单例模式或静态方法去维持一份这些值有且只有这一份值，但此时这些配置和属性又是通过面向对象的编码方式得到的，我们就应该使用单例模式，或者不是面向对象的，但他本身的属性应该是面对对象的，我们使用静态方法虽然能同样解决问题，但是最好的解决方案也应该是使用单例模式。

资料参考：《java设计模式》、《为什么要用单例模式？》

好啦以上就是本期的全部内容，我是敖丙，你知道的越多，你不知道的越多，我们下期见。