详解单例设计模式
什么是单例模式?
单例模式是为确保一个类只有一个实例，并为整个系统提供一个全局访问点的一种模式方法。
从概念中体现出了单例的一些特点：
-
在任何情况下，单例类永远只有一个实例存在
-
单例需要有能力为整个系统提供这一唯一实例
在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。
正是由于这个特点，单例对象通常作为程序中的存放配置信息的载体，因为它能保证其他对象读到一致的信息。例如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息可能存放在数据库或文件中，这些配置数据由某个单例对象统一读取，服务进程中的其他对象如果要获取这些配置信息，只需访问该单例对象即可。这种方式极大地简化了在复杂环境 下，尤其是多线程环境下的配置管理，但是随着应用场景的不同，也可能带来一些同步问题。
1、饿汉式单例
饿汉式单例是指在方法调用前，实例就已经创建好了。下面是实现代码：
public class MySingleton {
private static MySingleton instance = new MySingleton();
private MySingleton(){}
public static MySingleton getInstance() {
return instance;
}
}
以上是单例的饿汉式实现，我们来看看饿汉式在多线程下的执行情况，给出一段多线程的执行代码：
public class MyThread extends Thread{
@Override
public void run() {
System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());
}
public static void main(String[] args) {
MyThread[] mts = new MyThread[10];
for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
mts[i] = new MyThread();
}
for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
mts[j].start();
}
}
}
以上代码运行结果：
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
从运行结果可以看出实例变量额hashCode值一致，这说明对象是同一个，饿汉式单例实现了。
2、懒汉式单例
懒汉式单例是指在方法调用获取实例时才创建实例，因为相对饿汉式显得“不急迫”，所以被叫做“懒汉模式”。下面是实现代码：
public class MySingleton {
private static MySingleton instance = null;
private MySingleton(){}
public static MySingleton getInstance() {
if(instance == null){//懒汉式
instance = new MySingleton();
}
return instance;
}
}
这里实现了懒汉式的单例，在多线程并发下这样的实现是无法保证实例实例唯一的，甚至可以说这样的失效是完全错误的，下面我们就来看一下多线程并发下的执行情况，这里为了看到效果，我们对上面的代码做一小点修改：
public class MySingleton {
private static MySingleton instance = null;
private MySingleton(){}
public static MySingleton getInstance() {
try {
if(instance != null){//懒汉式
}else{
//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作
Thread.sleep(300);
instance = new MySingleton();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return instance;
}
}
这里假设在创建实例前有一些准备性的耗时工作要处理，多线程调用：
public class MyThread extends Thread{
@Override
public void run() {
System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());
}
public static void main(String[] args) {
MyThread[] mts = new MyThread[10];
for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
mts[i] = new MyThread();
}
for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
mts[j].start();
}
}
}
执行结果如下：
1210420568
1210420568
1935123450
1718900954
1481297610
1863264879
369539795
1210420568
1210420568
602269801
从这里执行结果可以看出，单例的线程安全性并没有得到保证，那要怎么解决呢？
3、线程安全的懒汉式单例
要保证线程安全，我们就得需要使用同步锁机制，下面就来看看我们如何一步步的解决 存在线程安全问题的懒汉式单例（错误的单例）。
- 方法中声明synchronized关键字
出现非线程安全问题，是由于多个线程可以同时进入getInstance()方法，那么只需要对该方法进行synchronized的锁同步即可：
public class MySingleton {
private static MySingleton instance = null;
private MySingleton(){}
public synchronized static MySingleton getInstance() {
try {
if(instance != null){//懒汉式
}else{
//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作
Thread.sleep(300);
instance = new MySingleton();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return instance;
}
}
此时任然使用前面验证多线程下执行情况的MyThread类来进行验证，将其放入到org.mlinge.s03包下运行，执行结果如下：
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
1689058373
从执行结果上来看，问题已经解决了，但是这种实现方式的运行效率会很低。同步方法效率低，那我们考虑使用同步代码块来实现：
- 同步代码块实现
public class MySingleton {
private static MySingleton instance = null;
private MySingleton(){}
//public synchronized static MySingleton getInstance() {
public static MySingleton getInstance() {
try {
synchronized (MySingleton.class) {
if(instance != null){//懒汉式
}else{
//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作
Thread.sleep(300);
instance = new MySingleton();
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return instance;
}
}
这里的实现能够保证多线程并发下的线程安全性，但是这样的实现将全部的代码都被锁上了，同样的效率很低下。
3. 针对某些重要的代码来进行单独的同步（可能非线程安全）
针对某些重要的代码进行单独的同步，而不是全部进行同步，可以极大的提高执行效率，我们来看一下：
public class MySingleton {
private static MySingleton instance = null;
private MySingleton(){}
public static MySingleton getInstance() {
try {
if(instance != null){//懒汉式
}else{
//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作
Thread.sleep(300);
synchronized (MySingleton.class) {
instance = new MySingleton();
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return instance;
}
}
此时同样使用前面验证多线程下执行情况的MyThread类来进行验证，将其放入到org.mlinge.s04包下运行，执行结果如下：
1481297610
397630378
1863264879
1210420568
1935123450
369539795
590202901
1718900954
1689058373
602269801
从运行结果来看，这样的方法进行代码块同步，代码的运行效率是能够得到提升，但是却没能保住线程的安全性。看来还得进一步考虑如何解决此问题。
4. Double Check Locking 双检查锁机制（推荐）
为了达到线程安全，又能提高代码执行效率，我们这里可以采用DCL的双检查锁机制来完成，代码实现如下：
public class MySingleton {
//使用volatile关键字保其可见性
volatile private static MySingleton instance = null;
private MySingleton(){}
public static MySingleton getInstance() {
try {
if(instance != null){//懒汉式
}else{
//创建实例之前可能会有一些准备性的耗时工作
Thread.sleep(300);
synchronized (MySingleton.class) {
if(instance == null){//二次检查
instance = new MySingleton();
}
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return instance;
}
}
将前面验证多线程下执行情况的MyThread类放入到org.mlinge.s05包下运行，执行结果如下：
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
369539795
从运行结果来看，该中方法保证了多线程并发下的线程安全性。
这里在声明变量时使用了volatile关键字来保证其线程间的可见性；在同步代码块中使用二次检查，以保证其不被重复实例化。集合其二者，这种实现方式既保证了其高效性，也保证了其线程安全性。
4、使用静态内置类实现单例模式
DCL解决了多线程并发下的线程安全问题，其实使用其他方式也可以达到同样的效果，代码实现如下：
public class MySingleton {
//内部类
private static class MySingletonHandler{
private static MySingleton instance = new MySingleton();
}
private MySingleton(){}
public static MySingleton getInstance() {
return MySingletonHandler.instance;
}
}
以上代码就是使用静态内置类实现了单例模式，这里将前面验证多线程下执行情况的MyThread类放入到org.mlinge.s06包下运行，执行结果如下：
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
从运行结果来看，静态内部类实现的单例在多线程并发下单个实例得到了保证。
5、序列化与反序列化的单例模式实现
静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性，但是在遇到序列化对象时，默认的方式运行得到的结果就是多例的。
import java.io.Serializable;
public class MySingleton implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;
//内部类
private static class MySingletonHandler{
private static MySingleton instance = new MySingleton();
}
private MySingleton(){}
public static MySingleton getInstance() {
return MySingletonHandler.instance;
}
}
序列化与反序列化测试代码：
public class SaveAndReadForSingleton {
public static void main(String[] args) {
MySingleton singleton = MySingleton.getInstance();
File file = new File("MySingleton.txt");
try {
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(fos);
oos.writeObject(singleton);
fos.close();
oos.close();
System.out.println(singleton.hashCode());
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(fis);
MySingleton rSingleton = (MySingleton) ois.readObject();
fis.close();
ois.close();
System.out.println(rSingleton.hashCode());
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行以上代码，得到的结果如下：
865113938
1442407170
从结果中我们发现，序列号对象的hashCode和反序列化后得到的对象的hashCode值不一样，说明反序列化后返回的对象是重新实例化的，单例被破坏了。那怎么来解决这一问题呢？
解决办法就是在反序列化的过程中使用readResolve()方法，单例实现的代码如下：
public class MySingleton implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;
//内部类
private static class MySingletonHandler{
private static MySingleton instance = new MySingleton();
}
private MySingleton(){}
public static MySingleton getInstance() {
return MySingletonHandler.instance;
}
//该方法在反序列化时会被调用，该方法不是接口定义的方法，有点儿约定俗成的感觉
protected Object readResolve() throws ObjectStreamException {
System.out.println("调用了readResolve方法！");
return MySingletonHandler.instance;
}
}
再次运行上面的测试代码，得到的结果如下：
865113938
调用了readResolve方法！
865113938
从运行结果可知，添加readResolve方法后反序列化后得到的实例和序列化前的是同一个实例，单个实例得到了保证。
6、使用static代码块实现单例
静态代码块中的代码在使用类的时候就已经执行了，所以可以应用静态代码块的这个特性的实现单例设计模式。
public class MySingleton{
private static MySingleton instance = null;
private MySingleton(){}
static{
instance = new MySingleton();
}
public static MySingleton getInstance() {
return instance;
}
}
测试代码如下：
public class MyThread extends Thread{
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println(MySingleton.getInstance().hashCode());
}
}
public static void main(String[] args) {
MyThread[] mts = new MyThread[3];
for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
mts[i] = new MyThread();
}
for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
mts[j].start();
}
}
}
运行结果如下：
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
1718900954
从运行结果看，单例的线程安全性得到了保证。
7、使用枚举数据类型实现单例模式
枚举enum和静态代码块的特性相似，在使用枚举时，构造方法会被自动调用，利用这一特性也可以实现单例：
public enum EnumFactory{
singletonFactory;
private MySingleton instance;
private EnumFactory(){//枚举类的构造方法在类加载是被实例化
instance = new MySingleton();
}
public MySingleton getInstance(){
return instance;
}
}
class MySingleton{//需要获实现单例的类，比如数据库连接Connection
public MySingleton(){}
}
public class MyThread extends Thread{
@Override
public void run() {
System.out.println(EnumFactory.singletonFactory.getInstance().hashCode());
}
public static void main(String[] args) {
MyThread[] mts = new MyThread[10];
for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
mts[i] = new MyThread();
}
for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
mts[j].start();
}
}
}
执行后得到的结果：
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
1481297610
运行结果表明单例得到了保证，但是这样写枚举类被完全暴露了，据说违反了“职责单一原则”，那我们来看看怎么进行改造呢。
8、完善使用enum枚举实现单例模式
不暴露枚举类实现细节的封装代码如下：
public class ClassFactory{
private enum MyEnumSingleton{
singletonFactory;
private MySingleton instance;
private MyEnumSingleton(){//枚举类的构造方法在类加载是被实例化
instance = new MySingleton();
}
public MySingleton getInstance(){
return instance;
}
}
public static MySingleton getInstance(){
return MyEnumSingleton.singletonFactory.getInstance();
}
}
class MySingleton{//需要获实现单例的类，比如数据库连接Connection
public MySingleton(){}
}
验证单例实现的代码如下：
public class MyThread extends Thread{
@Override
public void run() {
System.out.println(ClassFactory.getInstance().hashCode());
}
public static void main(String[] args) {
MyThread[] mts = new MyThread[10];
for(int i = 0 ; i < mts.length ; i++){
mts[i] = new MyThread();
}
for (int j = 0; j < mts.length; j++) {
mts[j].start();
}
}
}
验证结果：
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
1935123450
验证结果表明，完善后的单例实现更为合理。
单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：
- 某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。
- 省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
- 有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。
首先我们写一个简单的单例类：
public class Singleton {
/* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */
private static Singleton instance = null;
/* 私有构造方法，防止被实例化 */
private Singleton() {
}
/* 静态工程方法，创建实例 */
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
public Object readResolve() {
return instance;
}
}
这个类可以满足基本要求，但是像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字，如下：
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个：
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (instance) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：
- A、B线程同时进入了第一个if判断
- A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();
- 由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。
d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。 - 此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。
所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对该程序做进一步优化：
private static class SingletonFactory{
private static Singleton instance = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return SingletonFactory.instance;
}
实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：
public class Singleton {
/* 私有构造方法，防止被实例化 */
private Singleton() {
}
/* 此处使用一个内部类来维护单例 */
private static class SingletonFactory {
private static Singleton instance = new Singleton();
}
/* 获取实例 */
public static Singleton getInstance() {
return SingletonFactory.instance;
}
/* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */
public Object readResolve() {
return getInstance();
}
}
其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：
public class SingletonTest {
private static SingletonTest instance = null;
private SingletonTest() {
}
private static synchronized void syncInit() {
if (instance == null) {
instance = new SingletonTest();
}
}
public static SingletonTest getInstance() {
if (instance == null) {
syncInit();
}
return instance;
}
}
考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。
补充：采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新
public class SingletonTest {
private static SingletonTest instance = null;
private Vector properties = null;
public Vector getProperties() {
return properties;
}
private SingletonTest() {
}
private static synchronized void syncInit() {
if (instance == null) {
instance = new SingletonTest();
}
}
public static SingletonTest getInstance() {
if (instance == null) {
syncInit();
}
return instance;
}
public void updateProperties() {
SingletonTest shadow = new SingletonTest();
properties = shadow.getProperties();
}
}
- 单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。
- synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。
突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？
首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）
其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。
再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。
最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！
//双重校验锁
public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
//枚举
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void whateverMethod() {
}
}