单例模式

Posted 2020-11-23 lee0527

单例模式

前言

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

• 1、单例类只能有一个实例。
• 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

单例模式的几种实现方式

【1】懒汉式(线程不安全)

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  

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

这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

【2】懒汉式(线程安全)

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

这种方式的好处是写起来简单，且绝对线程安全；坏处是并发性能极差，事实上完全退化到了串行。单例只需要初始化一次，但就算初始化以后，synchronized的锁也无法避开，从而getInstance()完全变成了串行操作。性能不敏感的场景建议使用。

【3】饿汉式

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

这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象，即类加载时初始化单例，以后访问时直接返回即可。

它基于类加载机制避免了多线程的同步问题，但是没有达到懒加载的效果

【4】双重校验锁(DCL)

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    public int f1 = 1;   // 触发部分初始化问题
    public int f2 = 2;
        
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 当instance不为null时，可能指向一个“被部分初始化的对象”
            synchronized (Singleton.class) {
                if ( instance == null ) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种方式看起来似乎已经达到了理想的效果：懒加载+线程安全。但是DCL仍然是线程不安全的，由于指令重排序，会遇到”部分初始化问题”。

问题出在这行简单的赋值语句：

instance = new Singleton();

它并不是一个原子操作。事实上，它可以”抽象“为下面几条JVM指令：

memory = allocate();    //1：分配对象的内存空间
initInstance(memory);   //2：初始化对象（对f1、f2初始化）
instance = memory;      //3：设置instance指向刚分配的内存地址

上面操作2依赖于操作1，但是操作3并不依赖于操作2，所以JVM可以以“优化”为目的对它们进行重排序，经过重排序后如下：

memory = allocate();    //1：分配对象的内存空间
instance = memory;      //3：设置instance指向刚分配的内存地址（此时对象还未初始化）
ctorInstance(memory);   //2：初始化对象

可以看到指令重排之后，操作 3 排在了操作 2 之前，即引用instance指向内存memory时，这段崭新的内存还没有初始化——即，引用instance指向了一个”被部分初始化的对象”。此时，如果另一个线程调用getInstance方法，由于instance已经指向了一块内存空间，从而if条件判为false，方法返回instance引用，用户得到了没有完成初始化的“半个”单例。
解决这个该问题，只需要将instance声明为volatile变量

【5】登记式/静态内部类

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}  

这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了类加载机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第饿汉式种方式不同的是：饿汉式方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。

【6】枚举

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}  

这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。