設計模式——3單例模式（Singleton）

3、單例模式（Singleton）
單例物件（Singleton）是一種常用的設計模式。在Java應用中，單例物件能保證在一個JVM中，該物件只有一個例項存在。這樣的模式有幾個好處：
1、某些類建立比較頻繁，對於一些大型的物件，這是一筆很大的系統開銷。
2、省去了new操作符，降低了系統記憶體的使用頻率，減輕GC壓力。
3、有些類如交易所的核心交易引擎，控制著交易流程，如果該類可以建立多個的話，系統完全亂了。（比如一個軍隊出現了多個司令員同時指揮，肯定會亂成一團），所以只有使用單例模式，才能保證核心交易伺服器獨立控制整個流程。
首先我們寫一個簡單的單例類：
[java] view plaincopy

1. public class Singleton {
3. / 持有私有靜態例項，防止被引用，此處賦值為null，目的是實現延遲載入 /
4. private static Singleton instance = null;
6. / 私有構造方法，防止被例項化 /
7. private Singleton() {
8. }
10. / 靜態工程方法，建立例項 /
11. public static Singleton getInstance() {
12. if (instance == null) {
13. instance = new Singleton();
14. }
15. return instance;
16. }
18. / 如果該物件被用於序列化，可以保證物件在序列化前後保持一致 /
19. public Object readResolve() {
20. return instance;
21. }
22. }

這個類可以滿足基本要求，但是，像這樣毫無執行緒安全保護的類，如果我們把它放入多執行緒的環境下，肯定就會出現問題了，如何解決？我們首先會想到對getInstance方法加synchronized關鍵字，如下：
[java] view plaincopy

1. public static synchronized Singleton getInstance() {
2. if (instance == null) {
3. instance = new Singleton();
4. }
5. return instance;
6. }
   但是，synchronized關鍵字鎖住的是這個物件，這樣的用法，在效能上會有所下降，因為每次呼叫getInstance()，都要對物件上鎖，事實上，只有在第一次建立物件的時候需要加鎖，之後就不需要了，所以，這個地方需要改進。我們改成下面這個：

[java] view plaincopy

1. public static Singleton getInstance() {
2. if (instance == null) {
3. synchronized (instance) {
4. if (instance == null) {
5. instance = new Singleton();
6. }
7. }
8. }
9. return instance;
10. }
    似乎解決了之前提到的問題，將synchronized關鍵字加在了內部，也就是說當呼叫的時候是不需要加鎖的，只有在instance為null，並建立物件的時候才需要加鎖，效能有一定的提升。但是，這樣的情況，還是有可能有問題的，看下面的情況：在Java指令中建立物件和賦值操作是分開進行的，也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。但是JVM並不保證這兩個操作的先後順序，也就是說有可能JVM會為新的Singleton例項分配空間，然後直接賦值給instance成員，然後再去初始化這個Singleton例項。這樣就可能出錯了，我們以A、B兩個執行緒為例：

a>A、B執行緒同時進入了第一個if判斷
b>A首先進入synchronized塊，由於instance為null，所以它執行instance = new Singleton();
c>由於JVM內部的優化機制，JVM先畫出了一些分配給Singleton例項的空白記憶體，並賦值給instance成員（注意此時JVM沒有開始初始化這個例項），然後A離開了synchronized塊。
d>B進入synchronized塊，由於instance此時不是null，因此它馬上離開了synchronized塊並將結果返回給呼叫該方法的程式。
e>此時B執行緒打算使用Singleton例項，卻發現它沒有被初始化，於是錯誤發生了。
所以程式還是有可能發生錯誤，其實程式在執行過程是很複雜的，從這點我們就可以看出，尤其是在寫多執行緒環境下的程式更有難度，有挑戰性。我們對該程式做進一步優化：
[java] view plaincopy

1. private static class SingletonFactory{
2. private static Singleton instance = new Singleton();
3. }
4. public static Singleton getInstance(){
5. return SingletonFactory.instance;
6. }
   實際情況是，單例模式使用內部類來維護單例的實現，JVM內部的機制能夠保證當一個類被載入的時候，這個類的載入過程是執行緒互斥的。這樣當我們第一次呼叫getInstance的時候，JVM能夠幫我們保證instance只被建立一次，並且會保證把賦值給instance的記憶體初始化完畢，這樣我們就不用擔心上面的問題。同時該方法也只會在第一次呼叫的時候使用互斥機制，這樣就解決了低效能問題。這樣我們暫時總結一個完美的單例模式：

[java] view plaincopy

1. public class Singleton {
3. / 私有構造方法，防止被例項化 /
4. private Singleton() {
5. }
7. / 此處使用一個內部類來維護單例 /
8. private static class SingletonFactory {
9. private static Singleton instance = new Singleton();
10. }
12. / 獲取例項 /
13. public static Singleton getInstance() {
14. return SingletonFactory.instance;
15. }
17. / 如果該物件被用於序列化，可以保證物件在序列化前後保持一致 /
18. public Object readResolve() {
19. return getInstance();
20. }
21. }
    其實說它完美，也不一定，如果在建構函式中丟擲異常，例項將永遠得不到建立，也會出錯。所以說，十分完美的東西是沒有的，我們只能根據實際情況，選擇最適合自己應用場景的實現方法。也有人這樣實現：因為我們只需要在建立類的時候進行同步，所以只要將建立和getInstance()分開，單獨為建立加synchronized關鍵字，也是可以的：

[java] view plaincopy

1. public class SingletonTest {
2. private static SingletonTest instance = null;
3. private SingletonTest() {
4. }
5. private static synchronized void syncInit() {
6. if (instance == null) {
7. instance = new SingletonTest();
8. }
9. }
10. public static SingletonTest getInstance() {
11. if (instance == null) {
12. syncInit();
13. }
14. return instance;
15. }
16. }
    考慮效能的話，整個程式只需建立一次例項，所以效能也不會有什麼影響。

補充：採用”影子例項”的辦法為單例物件的屬性同步更新
[java] view plaincopy

1. public class SingletonTest {
2. private static SingletonTest instance = null;
3. private Vector properties = null;
4. public Vector getProperties() {
5. return properties;
6. }
7. private SingletonTest() {
8. }
9. private static synchronized void syncInit() {
10. if (instance == null) {
11. instance = new SingletonTest();
12. }
13. }
14. public static SingletonTest getInstance() {
15. if (instance == null) {
16. syncInit();
17. }
18. return instance;
19. }
20. public void updateProperties() {
21. SingletonTest shadow = new SingletonTest();
22. properties = shadow.getProperties();
23. }
24. }
    通過單例模式的學習告訴我們：

1、單例模式理解起來簡單，但是具體實現起來還是有一定的難度。
2、synchronized關鍵字鎖定的是物件，在用的時候，一定要在恰當的地方使用（注意需要使用鎖的物件和過程，可能有的時候並不是整個物件及整個過程都需要鎖）。
到這兒，單例模式基本已經講完了，結尾處，筆者突然想到另一個問題，就是採用類的靜態方法，實現單例模式的效果，也是可行的，此處二者有什麼不同？
首先，靜態類不能實現介面。（從類的角度說是可以的，但是那樣就破壞了靜態了。因為介面中不允許有static修飾的方法，所以即使實現了也是非靜態的）
其次，單例可以被延遲初始化，靜態類一般在第一次載入是初始化。之所以延遲載入，是因為有些類比較龐大，所以延遲載入有助於提升效能。
再次，單例類可以被繼承，他的方法可以被覆寫。但是靜態類內部方法都是static，無法被覆寫。
最後一點，單例類比較靈活，畢竟從實現上只是一個普通的Java類，只要滿足單例的基本需求，你可以在裡面隨心所欲的實現一些其它功能，但是靜態類不行。從上面這些概括中，基本可以看出二者的區別，但是，從另一方面講，我們上面最後實現的那個單例模式，內部就是用一個靜態類來實現的，所以，二者有很大的關聯，只是我們考慮問題的層面不同罷了。兩種思想的結合，才能造就出完美的解決方案，就像HashMap採用陣列+連結串列來實現一樣，其實生活中很多事情都是這樣，單用不同的方法來處理問題，總是有優點也有缺點，最完美的方法是，結合各個方法的優點，才能最好的解決問題！