前言
大家都知道關(guān)于Java中單例(Singleton)模式是一種廣泛使用的設(shè)計模式。單例模式的主要作用是保證在Java程序中，某個類只有一個實(shí)例存在。一些管理器和控制器常被設(shè)計成單例模式。
單例模式有很多好處，它能夠避免實(shí)例對象的重復(fù)創(chuàng)建，不僅可以減少每次創(chuàng)建對象的時間開銷，還可以節(jié)約內(nèi)存空間；能夠避免由于操作多個實(shí)例導(dǎo)致的邏輯錯誤。如果一個對象有可能貫穿整個應(yīng)用程序，而且起到了全局統(tǒng)一管理控制的作用，那么單例模式也許是一個值得考慮的選擇。
單例模式有很多種寫法，大部分寫法都或多或少有一些不足。下面將分別對這幾種寫法進(jìn)行介紹。
1、餓漢模式
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public class Singleton{ private static Singleton instance = new Singleton(); private Singleton(){} public static Singleton newInstance(){ return instance; } } |
從代碼中我們看到，類的構(gòu)造函數(shù)定義為private的，保證其他類不能實(shí)例化此類，然后提供了一個靜態(tài)實(shí)例并返回給調(diào)用者。餓漢模式是最簡單的一種實(shí)現(xiàn)方式，餓漢模式在類加載的時候就對實(shí)例進(jìn)行創(chuàng)建，實(shí)例在整個程序周期都存在。它的好處是只在類加載的時候創(chuàng)建一次實(shí)例，不會存在多個線程創(chuàng)建多個實(shí)例的情況，避免了多線程同步的問題。它的缺點(diǎn)也很明顯，即使這個單例沒有用到也會被創(chuàng)建，而且在類加載之后就被創(chuàng)建，內(nèi)存就被浪費(fèi)了。
這種實(shí)現(xiàn)方式適合單例占用內(nèi)存比較小，在初始化時就會被用到的情況。但是，如果單例占用的內(nèi)存比較大，或單例只是在某個特定場景下才會用到，使用餓漢模式就不合適了，這時候就需要用到懶漢模式進(jìn)行延遲加載。
2、懶漢模式
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public class Singleton{ private static Singleton instance = null; private Singleton(){} public static Singleton newInstance(){ if(null == instance){ instance = new Singleton(); } return instance; } } |
懶漢模式中單例是在需要的時候才去創(chuàng)建的，如果單例已經(jīng)創(chuàng)建，再次調(diào)用獲取接口將不會重新創(chuàng)建新的對象，而是直接返回之前創(chuàng)建的對象。如果某個單例使用的次數(shù)少，并且創(chuàng)建單例消耗的資源較多，那么就需要實(shí)現(xiàn)單例的按需創(chuàng)建，這個時候使用懶漢模式就是一個不錯的選擇。但是這里的懶漢模式并沒有考慮線程安全問題，在多個線程可能會并發(fā)調(diào)用它的getInstance()方法，導(dǎo)致創(chuàng)建多個實(shí)例，因此需要加鎖解決線程同步問題，實(shí)現(xiàn)如下。
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public class Singleton{ private static Singleton instance = null; private Singleton(){} public static synchronized Singleton newInstance(){ if(null == instance){ instance = new Singleton(); } return instance; } } |
3、雙重校驗鎖
加鎖的懶漢模式看起來即解決了線程并發(fā)問題，又實(shí)現(xiàn)了延遲加載，然而它存在著性能問題，依然不夠完美。synchronized修飾的同步方法比一般方法要慢很多，如果多次調(diào)用getInstance() ，累積的性能損耗就比較大了。因此就有了雙重校驗鎖，先看下它的實(shí)現(xiàn)代碼。
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public class Singleton { private static Singleton instance = null; private Singleton(){} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) {//2 instance = new Singleton(); } } } return instance; } } |
可以看到上面在同步代碼塊外多了一層instance為空的判斷。由于單例對象只需要創(chuàng)建一次，如果后面再次調(diào)用getInstance()只需要直接返回單例對象。因此，大部分情況下，調(diào)用getInstance()都不會執(zhí)行到同步代碼塊，從而提高了程序性能。不過還需要考慮一種情況，假如兩個線程A、B，A執(zhí)行了if (instance == null)語句，它會認(rèn)為單例對象沒有創(chuàng)建，此時線程切到B也執(zhí)行了同樣的語句，B也認(rèn)為單例對象沒有創(chuàng)建，然后兩個線程依次執(zhí)行同步代碼塊，并分別創(chuàng)建了一個單例對象。為了解決這個問題，還需要在同步代碼塊中增加if (instance == null)語句，也就是上面看到的代碼2。
我們看到雙重校驗鎖即實(shí)現(xiàn)了延遲加載，又解決了線程并發(fā)問題，同時還解決了執(zhí)行效率問題，是否真的就萬無一失了呢？
這里要提到Java中的指令重排優(yōu)化。所謂指令重排優(yōu)化是指在不改變原語義的情況下，通過調(diào)整指令的執(zhí)行順序讓程序運(yùn)行的更快。JVM中并沒有規(guī)定編譯器優(yōu)化相關(guān)的內(nèi)容，也就是說JVM可以自由的進(jìn)行指令重排序的優(yōu)化。
這個問題的關(guān)鍵就在于由于指令重排優(yōu)化的存在，導(dǎo)致初始化Singleton和將對象地址賦給instance字段的順序是不確定的。在某個線程創(chuàng)建單例對象時，在構(gòu)造方法被調(diào)用之前，就為該對象分配了內(nèi)存空間并將對象的字段設(shè)置為默認(rèn)值。此時就可以將分配的內(nèi)存地址賦值給instance字段了，然而該對象可能還沒有初始化。若緊接著另外一個線程來調(diào)用getInstance，取到的就是狀態(tài)不正確的對象，程序就會出錯。
以上就是雙重校驗鎖會失效的原因，不過還好在JDK1.5及之后版本增加了volatile關(guān)鍵字。volatile的一個語義是禁止指令重排序優(yōu)化，也就保證了instance變量被賦值的時候?qū)ο笠呀?jīng)是初始化過的，從而避免了上面說到的問題。
代碼如下：
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public class Singleton { private static volatile Singleton instance = null; private Singleton(){} public static Singleton getInstance() { if (instance == null) { synchronized (Singleton.class) { if (instance == null) { instance = new Singleton(); } } } return instance; } } |
4、靜態(tài)內(nèi)部類
除了上面的三種方式，還有另外一種實(shí)現(xiàn)單例的方式，通過靜態(tài)內(nèi)部類來實(shí)現(xiàn)。首先看一下它的實(shí)現(xiàn)代碼：
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public class Singleton{ private static class SingletonHolder{ public static Singleton instance = new Singleton(); } private Singleton(){} public static Singleton newInstance(){ return SingletonHolder.instance; } } |
這種方式同樣利用了類加載機(jī)制來保證只創(chuàng)建一個instance實(shí)例。它與餓漢模式一樣，也是利用了類加載機(jī)制，因此不存在多線程并發(fā)的問題。不一樣的是，它是在內(nèi)部類里面去創(chuàng)建對象實(shí)例。這樣的話，只要應(yīng)用中不使用內(nèi)部類，JVM就不會去加載這個單例類，也就不會創(chuàng)建單例對象，從而實(shí)現(xiàn)懶漢式的延遲加載。也就是說這種方式可以同時保證延遲加載和線程安全。
5、枚舉
再來看本文要介紹的最后一種實(shí)現(xiàn)方式：枚舉。
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public enum Singleton{ instance; public void whateverMethod(){} } |
面提到的四種實(shí)現(xiàn)單例的方式都有共同的缺點(diǎn)：
1）需要額外的工作來實(shí)現(xiàn)序列化，否則每次反序列化一個序列化的對象時都會創(chuàng)建一個新的實(shí)例。
2）可以使用反射強(qiáng)行調(diào)用私有構(gòu)造器（如果要避免這種情況，可以修改構(gòu)造器，讓它在創(chuàng)建第二個實(shí)例的時候拋異常）。
而枚舉類很好的解決了這兩個問題，使用枚舉除了線程安全和防止反射調(diào)用構(gòu)造器之外，還提供了自動序列化機(jī)制，防止反序列化的時候創(chuàng)建新的對象。因此，《Effective Java》作者推薦使用的方法。不過，在實(shí)際工作中，很少看見有人這么寫。
總結(jié)
本文總結(jié)了五種Java中實(shí)現(xiàn)單例的方法，其中前兩種都不夠完美，雙重校驗鎖和靜態(tài)內(nèi)部類的方式可以解決大部分問題，平時工作中使用的最多的也是這兩種方式。枚舉方式雖然很完美的解決了各種問題，但是這種寫法多少讓人感覺有些生疏。個人的建議是，在沒有特殊需求的情況下，使用第三種和第四種方式實(shí)現(xiàn)單例模式。
以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作能帶來一定的幫助，如果有疑問大家可以留言交流。
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