单例模式的多种实现

Posted 2020-08-15 毛先森

单例模式是一种常用的软件设计模式。在它的核心结构中只包含一个被称为单例的特殊类。通过单例模式可以保证系统中一个类只有一个实例。当一个类的实例有且只可以有一个的时候就需要用到单例模式了。为什么只需要有一个呢？有人说是为了节约内存，但这只是单例模式带来的一个好处。只有一个实例确实减少内存占用，可是我认为这不是使用单例模式的理由。我认为使用单例模式的时机是当实例存在多个会引起程序逻辑错误的时候。比如类似有序的号码生成器这样的东西，怎么可以允许一个应用上存在多个呢？

Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中，一个类Class只有一个实例存在。

一般Singleton模式通常有以下五种形式:

第一种形式:懒汉式，线程不安全。

public class Singleton {  
    //私有化属性
    private static Singleton instance;  
    //私有化构造器
    private Singleton (){}  
    //提供获取单例的方法 
    public static Singleton getInstance() {  
         if (instance == null) {  
             instance = new Singleton();  
         }  
         return instance;  
    }  
}  

这种写法是明显的lazy loading，当不需要用到单例对象的时候，不会实例化对象。但是致命的缺点是在多线程环境下不能正常工作。

第二种形式:懒汉式，线程安全。

public class Singleton {  
    //私有化属性
    private static Singleton instance;  
    //私有化构造器
    private Singleton (){}  
    //提供了一个供外部访问类的对象的静态方法，可以直接访问
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
} 

这种写法既能够在多线程环境中很好的工作，而且看起来它也具备很好的lazy loading，但是，遗憾的是，效率很低，99%情况下不需要同步。

第三种形式:饿汉式。

public class Singleton{
    //在类自己内部定义自己的一个实例，只供内部调用
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    //私有化构造器
    private Singleton(){}
    //这里提供了一个供外部访问本类实例的静态方法，可以直接访问
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就会被实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用getInstance方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化instance显然没有达到lazy loading的效果，所以饿汉式的缺点就是没法实现懒加载。

第四种形式:静态内部类。

public class Singleton {  
    //静态内部类
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    //私有化构造器
    private Singleton (){}
    //提供一个供外部访问本类实例的静态方法
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}  

这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟第三种方式不同的是（很细微的差别）：第三种方式是只要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，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显示装载SingletonHolder类，从而实例化instance。想象一下，如果实例化instance很消耗资源，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化instance显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第三种方式就显得很合理。

第五种形式:双重校验锁的形式。

public class Singleton {  
    //
    private volatile static Singleton singleton;  
    //私有化构造器
    private Singleton (){}
    //提供一个供外部访问本类实例的静态方法  
    public static Singleton getSingleton() {  
        if (singleton == null) {  
            synchronized (Singleton.class) {  
                 if (singleton == null) {  
                    singleton = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return singleton;  
    }  
}              

这个是第二种方式的升级版，俗称双重检查锁定，详细介绍请查看：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-dcl.html

在JDK1.5之后，双重检查锁定才能够正常达到单例效果。

总结

有两个问题需要注意：

1.如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取，例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类装载器，这样的话如果有两个servlet访问一个单例类，它们就都会有各自的实例。

2.如果Singleton实现了java.io.Serializable接口，那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样，如果你序列化一个单例类的对象，接下来复原多个那个对象，那你就会有多个单例类的实例。

对第一个问题修复的办法是：

private static Class getClass(String classname)throws ClassNotFoundException {     
      ClassLoader classLoader =Thread.currentThread().getContextClassLoader();     
      
      if(classLoader == null)     
         classLoader = Singleton.class.getClassLoader();     
      
      return (classLoader.loadClass(classname));     
   }     
}  

 对第二个问题修复的办法是：

public class Singleton implements java.io.Serializable {     
   public static Singleton INSTANCE = new Singleton();     
      
   protected Singleton() {}   
  
   private Object readResolve() {     
            return INSTANCE;     
   }    
}  

第三种和第四种方式，简单易懂，而且在JVM层实现了线程安全（如果不是多个类加载器环境），一般的情况下，我会使用第三种方式，只有在要明确实现lazy loading效果时才会使用第四种方式，另外，单例模式最重要的是一直要保证程序是线程安全的，所以我永远不会使用第一种方式，如果有其他特殊的需求，我可能会使用第五种方式，毕竟，JDK1.5已经没有双重检查锁定的问题了。