【设计模式笔记】（一）- 单例模式

1.简述

单例模式是应用最广泛的模式之一，定义就是单例对象的类必须保证只有一个实例存在。单例模式适用于创建一个对象需要消耗过多资源的情况，例如访问数据库等资源是需要考虑使用。

实现单例模式的关键点如下:

构造函数私有化（才不会让你有机会再创建一个对象）
通过一个静态方法或枚举（后面会有举例）返回单例类对象
确保单例类的对象有且只有一个，尤其是多线程环境下（同时是难点）
确保单例类的对象在反序列化是不会重新构建对象

2.实现

饿汉式

public class Singleton {
    private final static Singleton instance = new Singleton();
    //私有化构造器
    private Singleton(){}
    
    //共有静态方法，对外暴露获取单例对象
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

可以看到饿汉式是在声明静态对象时就已经初始化了，如果没有使用单例对象的情况下，就会造成不必要的内存开销。

懒汉式

懒汉式是声明一个静态对象，在第一次调用getInstance()时进行初始化

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;

    private Singleton(){}

    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(null == instance){
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

与饿汉式不同的地方不仅仅是单例对象初始化的时机，会发现getInstance()方法前添加了synchronized关键字，也就是getInstance()是一个同步方法，以此来保证多线程情况下单例对象的唯一。

相对的，每次调用getInstance()都会进行同步，就会消耗不必要的资源，也是懒汉式存在的最大问题。

Double Check Lock（DCL）

DCL方式实现单力模式的优点在于既能在需要时才初始化对象，又能保证线程安全，而且在对象初始化之后调用getInstance()不进行同步

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance = null;

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        if(null == instance){
            synchronized(Singleton.class){
                if(null == instance){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

可以看到getInstance()方法中对instance进行了两次判空，第一次判断是为了判断不必要的同步，第二次判断是为了在null的情况下穿件实例；同时instance对象前面还添加了volatile关键字，如果不使用volatile关键字的话无法保证instance的原子性，这里涉及到instance = new Singleton();语句不是一个原子操作。

这句代码最终会被编译成多条汇编指令，大致做了3件事：

给Singleton的实力分配内存
调用Singleton()的构造函数，初始化成员字段
将instance对象指向分配的内存空间（此时instance就不是null了）

由于Java编译器允许处理器乱序执行，以及JDK1.5之前JMM（Java Memory Model，即java内存模型）中得Cache、寄存器到主内存回写顺序的规定，第二和第三的顺序是无法保证。也就是说执行顺序可能是1-2-3或者是1-3-2。如果是后者，并在3执行完成、2为执行前，备切换到线程B，这时候instance已经在线程A中执行过了3，instance已经是非空了，所以线程B直接取走instance使用时会出错，导致DCL模式失效，而且这种情况难以重现的错误很可能会隐藏很久。

在JDK1.5之后，调整了JVM，具体化了volatile关键字。所以在JDK1，5之后的版本在instance前添加volatile关键字保证每次都是从主内存中读取就可以使用DCL模式来完成代理模式了。当然，volatile或多或少会影响到性能，考虑到正确性这点性能的牺牲还是值得的。

DCL模式能够在绝大多数场景下保证单例对象的唯一性，资源利用率高，只有第一次加载时反应稍慢，一般能够满足需求

静态内部类

在某些情况下DCL模式会出现时效的问题，于是边有了静态内部类的实现方式

public class Singleton {
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
    
    /**静态内部类*/
    private static class SingletonHolder{
        public static final Singleton instance = new Singleton();
    }
}

当第一次加载Singleton类时并不会初始化instance，只有在第一次调用getInstance()方法是回初始化。第一次调用getInstance()方法导致虚拟机加载SingletonHolder类，这种方式嫩确保线程安全，也能确保单例对象的唯一性，同时也延迟了单例对象的实例化，所以推荐使用这种实现方式。

枚举单例

public enmu SingletonEnum {
    INSTANCE;
}

就是这么简单粗暴，其实最大优点在于关键点的第4点，即是反序列化也不会重新生成新的实例。

通过序列化可以将单例对象写到磁盘，然后在读取出来，即使构造函数是私有的，反序列化时依然可以通过特殊的方式创建一个新的实例。反序列化操作提供了一个很特别的钩子函数，类中具有一个私有的、被实例化的方法readResolve()，这个方法可以让开发人员控制对象的反序列化。上述几个实例中如果要避免反序列化是重新生成对象，必须加入如下方法：

private Object readResolve() throws ObjectStreamException{
    return instance;
}

使用容器实现单例模式

public class SingletonManager{
    private static Map objMap = new HashMap<>();
    
    private SingletonManager(){}
    
    public static void registerService(String key,Object instance){
        if(!objMap.containsKey(key)){
            objMap.put(key,instance);
        }
    }
    
    public static Object getService(String key){
        return objMap.get(key);
    }
}

这种方式使得我们可以管理多种类型的单例，并且在使用时可以统一的接口进行操作，降低了使用成本，同时隐藏了具体实现降低了耦合。

其实Android中LayoutInflater就是以这种方式实现的。

3.总结

不管哪种形式实现单例模式，核心原理都是那四个关键点，具体选择哪种实现方式取决于项目本身以及具体的开发环境等等。

而对于客户端来说通常没有高并发的情况，推荐使用DCL模式或者是静态内部类的方式实现。

优点

只存在一个实例，减少了内存开支，减少了系统的性能开销
避免对资源的多重占用
全局的访问点，优化和共享资源访问

缺点

没有接口，难扩展，只能修改代码
如果持有Context容易导致内存泄露（需要传递Context的话最好是Application Context）