設計模式--單例（Singleton Pattern）

愛穿襯衫的程式設計師發表於2018-12-17
設計模式單例

定義

單例模式: 確保某一個類只有一個例項，而且自行例項化並向整個系統提供這個例項。

使用場景

避免產生多個物件消耗過多的資源，或者某種型別的物件只有一個。

1、餓漢模式

public static class Singleton {
    private static final instance Singleton = new Singleton();
    
    private Singleton() { // 私有建構函式
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}
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instance是靜態成員變數，在宣告時就被例項化。

2、懶漢模式

public static class Singleton {
    private static final instance Singleton = null;
    
    private Singleton() { // 私有建構函式
    }
    
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            instance = new Singleton()
        }
        return instance;
    }
}
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instance只是在初次呼叫時初始化，synchronized，每次呼叫getInstance()方法都會進行同步，這樣會消耗不必要的資源，這也是懶漢模式最大的問題。

3、Double Check Lock（DCL）

public static class Singleton {
    private static final instance Singleton = null;
    
    private Singleton() { // 私有建構函式
    }
    
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance == null) {
            synchronized(Singleton.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new Singleton()
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
複製程式碼

DCL有兩次判空，第一次判空，是為了避免不必要的同步；第二次判空，是為了初次初始化時，只初始化一次。

instance = new Singletone(); 這行程式碼最終會編譯成多條彙編指令，它大致做了三件事：

  1. 給Singleton的例項分配記憶體;
  2. 呼叫Singleton()的建構函式，初始化成員欄位;
  3. 將instance物件指向分配的記憶體空間（此時instance不再是null了）;

DCL失效情況:
由於Java編譯器允許處理器亂序執行，以及JDK1.5之前JMM(Java Memory Model)中Cache、暫存器到記憶體回寫順序的規定，上面第二和第三的順序是無法保證的。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：

  1. A、B執行緒同時進入了第一個if判斷
  2. A首先進入synchronized塊，由於instance為null，所以它執行instance = new Singleton();
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。

在JDK1.5之後，SUN公司調整了JVM，增加了volatile關鍵字，只需將instance的定義改成private volatile static Singleton instance = null就可以儲存instance物件每次都是從主記憶體總讀取。

4.靜態內部類單例模式

public static class Singleton {
    private Singleton() { // 私有建構函式
    }
    
    private static class SingletonHolder {
        private static final instance Singleton = new Singleton();
    }
    
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}
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當第一次載入Singleton類時，並不會初始化，只有當第一次呼叫getInstance()方法，會導致虛擬機器載入SingletonHolder類，此時才是初始化。利用的Java類載入機制

不同的類裝載器，可能會導致產生多個單例物件:

public static Class getClass(String className) throws ClassNotFoundException {
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    if (cl == null) {
        cl = Singleton.class.getClassLoader();
    }
    return cl.loadClass(className);
}
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如果Singleton實現了Serializable介面，反序列化時可能產生多個例項物件：

private Object readResolve() { // 重寫readResolve方法
    return instance;
}
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