设计模式02_单例模式_Singleton

1.什么情况下使用单例模式？

有些对象只有一个，比如配置文件，工具类，线程池，缓存，日志对象等等。单例模式保证应用中有且只有一个实例。

2. 什么是单例？

2.1、单例定义

“单例对象的类必须保证只有一个实例存在” 这是维基百科上对单例的定义，这也可以作为对意图实现单例模式的代码进行检验的标准。

2.2、单例的实现可以分为两大类

懒汉式：指全局的单例实例在第一次被使用时构建。
饿汉式：指全局的单例实例在类装载时构建。
注：日常我们使用的较多的应该是懒汉式的单例，毕竟按需加载才能做到资源的最大化利用。

3. 懒汉式单例

先来看一下懒汉式单例的实现方式。

3.1 简单版本

看最简单的写法Version 1：

public class LazySingleton {
    //1. Simplest version
    private static LazySingleton instance;
    private LazySingleton(){}
    public static LazySingleton getInstance(){
        if(instance == null){
            instance =  new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

把构造器改为私有的，这样能够防止被外部的类调用。每次获取instance之前先进行判断，如果instance为空就new一个出来，否则就直接返回已存在的instance。这种写法在大多数的时候也是没问题的。问题在于，当多线程工作的时候，如果有多个线程同时运行到if (instance == null)，都判断为null，那么两个线程就各自会创建一个实例——这样一来，就不是单例了。

3.2 synchronized版本

那既然可能会因为多线程导致问题，那么加上一个同步锁吧！修改后的代码如下，相对于Version1，只是在方法签名上多加了一个synchronized：

//2. Sychronized version
    private static LazySingleton instance2;
    private LazySingleton(){}
    public static synchronized LazySingleton getInstance2(){
        if(instance2 == null){
            instance2 = new LazySingleton();
        }
        return instance2;
    }

OK，加上synchronized关键字之后，getInstance方法就会锁上了。如果有两个线程（T1、T2）同时执行到这个方法时，会有其中一个线程T1获得同步锁，得以继续执行，而另一个线程T2则需要等待，当第T1执行完毕getInstance之后（完成了null判断、对象创建、获得返回值之后），T2线程才会执行执行。——所以这端代码也就避免了Version1中，可能出现因为多线程导致多个实例的情况。但是，这种写法也有一个问题：给getInstance方法加锁，虽然会避免了可能会出现的多个实例问题，但是会强制除T1之外的所有线程等待，实际上会对程序的执行效率造成负面影响。

3.3 双重检查（Double-Check）版本

Version2代码相对于Version1d代码的效率问题，其实是为了解决1%几率的问题，而使用了一个100%出现的防护盾。那有一个优化的思路，就是把100%出现的防护盾，也改为1%的几率出现，使之只出现在可能会导致多个实例出现的地方。——有没有这样的方法呢？当然是有的，改进后的代码Vsersion3如下：

    //3. Double-check version
    private static LazySingleton instance3;
    private LazySingleton(){}
    public static LazySingleton getInstance3(){
        if(instance3 == null){
            synchronized (LazySingleton.class){
                if(instance3 == null){
                    instance3 = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return instance3;
    }

第一个if (instance == null)，其实是为了解决Version2中的效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段大大减少了几率。
第二个if (instance == null)，则是跟Version2一样，是为了防止可能出现多个实例的情况。
这段代码看起来已经完美无瑕了。………………—— 当然，只是『看起来』，还是有小概率出现问题的。这弄清楚为什么这里可能出现问题，首先，我们需要弄清楚几个概念：原子操作、指令重排。
主要在于singleton = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。
　　1. 给 singleton 分配内存
　　2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
　　3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。
　　也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。
　　再稍微解释一下，就是说，由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance == null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。这里的关键在于——线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。

3.4 终极版本：volatile

对于Version3中可能出现的问题（当然这种概率已经非常小了，但毕竟还是有的嘛~），解决方案是：只需要给instance的声明加上volatile关键字即可，Version4版本：

//4. Double-check with volatile version
    private static volatile LazySingleton instance4;
    private LazySingleton(){}
    public static LazySingleton getInstance4(){
        if(instance4 == null){
            synchronized (LazySingleton.class){
                if(instance4 == null){
                    instance4 = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return instance4;
    }

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

1）可见性：保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。

2）有序性：禁止进行指令重排序。
我的理解是，volatile修饰后，保证了singleton = new Singleton()这句话的指令执行顺序，从而不会出现版本3的问题。

4. 饿汉式单例

下面再聊了解一下饿汉式的单例。
　　如上所说，饿汉式单例是指：指全局的单例实例在类装载时构建的实现方式。
由于类装载的过程是由类加载器（ClassLoader）来执行的，这个过程也是由JVM来保证同步的，所以这种方式先天就有一个优势——能够免疫许多由多线程引起的问题。

4.1 饿汉式单例的实现方式

饿汉式单例的实现如下：

public class HungreySingleton {
    private static final HungreySingleton instance = new HungreySingleton();
    private HungreySingleton(){}
    public static HungreySingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

对于一个饿汉式单例的写法来说，它基本上是完美的了。所以它的缺点也就只是饿汉式单例本身的缺点所在了——由于INSTANCE的初始化是在类加载时进行的，而类的加载是由ClassLoader来做的，所以开发者本来对于它初始化的时机就很难去准确把握：可能由于初始化的太早，造成资源的浪费。
　　如果初始化本身依赖于一些其他数据，那么也就很难保证其他数据会在它初始化之前准备好。
　　当然，如果所需的单例占用的资源很少，并且也不依赖于其他数据，那么这种实现方式也是很好的。

４.2什么时候是类装载时？

类从被加载到虚拟机内存中开始，直到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括了：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载这7个阶段。其中，验证、准备和解析这三个部分统称为连接（linking）。
什么情况下需要开始类加载过程的第一个阶段:"加载"。虚拟机规范中并没强行约束，这点可以交给虚拟机的的具体实现自由把握，但是对于初始化阶段虚拟机规范是严格规定了如下几种情况，如果类未初始化会对类进行初始化。

• 创建类的实例
• 访问类的静态变量(除常量【被final修辞的静态变量】原因:常量一种特殊的变量，因为编译器把他们当作值(value)而不是域(field)来对待。如果你的代码中用到了常变量(constant variable)，编译器并不会生成字节码来从对象中载入域的值，而是直接把这个值插入到字节码中。这是一种很有用的优化，但是如果你需要改变final域的值那么每一块用到那个域的代码都需要重新编译。
• 访问类的静态方法
• 反射如(Class.forName("my.xyz.Test"))
• 当初始化一个类时，发现其父类还未初始化，则先出发父类的初始化
• 虚拟机启动时，定义了main()方法的那个类先初始化

class SingleTon {
    private static SingleTon singleTon = new SingleTon();
    public static int count1;
    public static int count2 = 0;
 
    private SingleTon() {
        count1++;
        count2++;
    }
 
    public static SingleTon getInstance() {
        return singleTon;
    }
}
 
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        SingleTon singleTon = SingleTon.getInstance();
        System.out.println("count1=" + singleTon.count1);
        System.out.println("count2=" + singleTon.count2);
    }
}
输出：
count1=1
count2=0
分析:
1:SingleTon singleTon = SingleTon.getInstance();调用了类的SingleTon调用了类的静态方法，触发类的初始化
2:类加载的时候在准备过程中为类的静态变量分配内存并初始化默认值 singleton=null count1=0,count2=0
3:类初始化，为类的静态变量赋值和执行静态代码快。singleton赋值为new SingleTon()调用类的构造方法
4:调用类的构造方法后count=1;count2=1
5:继续为count1与count2赋值,此时count1没有赋值操作,所有count1为1,但是count2执行赋值操作就变为0

5. 一些其他的实现方式

5.1 Effective Java 1 —— 静态内部类

《Effective Java》一书的第一版中推荐了一个中写法：

public class InnerSingleton {
    private static class SingletonHolder{
        private static final InnerSingleton instance = new InnerSingleton();
    }
    private InnerSingleton(){}
    public static final InnerSingleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

这种写法非常巧妙：对于内部类SingletonHolder，它是一个饿汉式的单例实现，在SingletonHolder初始化的时候会由ClassLoader来保证同步，使INSTANCE是一个真·单例。
　　同时，由于SingletonHolder是一个内部类，只在外部类的Singleton的getInstance()中被使用，所以它被加载的时机也就是在getInstance()方法第一次被调用的时候。
　　它利用了ClassLoader来保证了同步，同时又能让开发者控制类加载的时机。从内部看是一个饿汉式的单例，但是从外部看来，又的确是懒汉式的实现**。简直是神乎其技。

5.2 Effective Java 2 —— 枚举

《Effective Java》的作者在这本书的第二版又推荐了另外一种方法，来直接看代码：

public enum SingleInstance {
   INSTANCE;
    public void fun1() {
        // do something
    }
}// 使用SingleInstance.INSTANCE.fun1();

看到了么？这是一个枚举类型……连class都不用了，极简。由于创建枚举实例的过程是线程安全的，所以这种写法也没有同步的问题。

对这个方法的评价：
　　这种写法在功能上与共有域方法相近，但是它更简洁，无偿地提供了序列化机制，绝对防止对此实例化，即使是在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这中方法还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。
　　枚举单例这种方法问世一些，许多分析文章都称它是实现单例的最完美方法——写法超级简单，而且又能解决大部分的问题。不过我个人认为这种方法虽然很优秀，但是它仍然不是完美的——比如，在需要继承的场景，它就不适用了。

6. 总结

OK，看到这里，你还会觉得单例模式是最简单的设计模式了么？再回头看一下你之前代码中的单例实现，觉得是无懈可击的么？可能我们在实际的开发中，对单例的实现并没有那么严格的要求。比如，我如果能保证所有的getInstance都是在一个线程的话，那其实第一种最简单的教科书方式就够用了。再比如，有时候，我的单例变成了多例也可能对程序没什么太大影响……但是，如果我们能了解更多其中的细节，那么如果哪天程序出了些问题，我们起码能多一个排查问题的点。早点解决问题，就能早点回家吃饭……:-D
　　 还有，完美的方案是不存在，任何方式都会有一个『度』的问题。比如，你的觉得代码已经无懈可击了，但是因为你用的是JAVA语言，可能ClassLoader有些BUG啊……你的代码谁运行在JVM上的，可能JVM本身有BUG啊……你的代码运行在手机上，可能手机系统有问题啊……你生活在这个宇宙里，可能宇宙本身有些BUG啊……o(╯□╰)o所以，尽力做到能做到的最好就行了。
　　 感谢你花费了不少时间看到这里，但愿你没有觉得虚度。

本文仅对于原文作少许修改。
原文：
作者：博麟K
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