设计模式-单例模式（java实战+性能对比）

背景

设计模式在java编程中发挥的淋漓尽致，一直被大家推崇，以下博主将开设类似的专栏，对各种设计模式加以阐述，并且通过java来进行实战。

首先，对单例模式进行分析和实现。

原理

单例模式存在的意义

• 需要使用的资源全局只有一个
• 频繁创建某个类的对象会导致过多的gc，如果全局只用一个则可以有效避免
• 等等。。。

在spring里面就用到了众多的单例思想。例如@Component，做一个bean，默认就是单例的。

实战

单例模式的重点是实例初始化的过程，初始化包括直接初始化和后初始化（也就是平常说的懒加载）。

• 普通初始化，在类加载的时候就进行初始化
• 后初始化，在使用之前进行初始化（需要考虑到同步，否则可能会在并发的时候实例化多个，导致不必要的bug）

对于懒加载的情况，本博客专门测试对比一下几种方法的性能

普通初始化（即普通加载）

public class SingletonDemo {
	// 类加载的时候直接调用初始化（这样做的唯一缺点只有在启动的时候增加一些时间）
    private static final SingletonDemo instance = new SingletonDemo();

    public static SingletonDemo getInstance() {
        return instance;
    }
}

后初始化（即懒加载）

方法级同步（不推荐）

public class SingletonDemo {
    private static SingletonDemo instance;

    private SingletonDemo() {
        System.out.println("默认构造函数必须要为private，否则别人可以new这个对象");
    }

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

    public static void main(String[] args) {
        StopWatch stopWatch = new StopWatch();
        stopWatch.start();
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            executorService.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    getInstance();
                }
            });
        }
        executorService.shutdown();
        stopWatch.stop();
        System.out.println(stopWatch.prettyPrint());
    }
}

方法级别添加同步，能确保最终只创建一个实例，但有点重了，不但同步了实例的创建过程，而且同步了单例的读取过程和引用的返回过程，明显会降低读取的速度。
以下是运行时长统计（1000w次）

双查模式（普通推荐）

public class SingletonDemo1 {
    private static volatile SingletonDemo1 instance;

    private SingletonDemo1() {
        System.out.println("默认构造函数必须要为private，否则别人可以new这个对象");
    }

    public static SingletonDemo1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonDemo1.class) {
                if (instance != null) {
                    instance = new SingletonDemo1();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        StopWatch stopWatch = new StopWatch();
        stopWatch.start();
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                getInstance();
            });
        }
        executorService.shutdown();
        stopWatch.stop();
        System.out.println(stopWatch.prettyPrint());
    }
}

注意点：

• 单例成员变量，必须要用volatile修饰，避免java内存模型特点而导致的在线程间不同步现象
• 第一次null判断，是为了读取（读取操作不必进行sychronized同步）
• 第二次null判断，是为了创建

类加载的holder模式（强力推荐）

利用内部类的后加载特性。如下代码，Holder类的加载是在getInstance方法调用的时候进行的，类加载的过程天然同步，甚至不用加锁，也不用考虑使用volatile关键字来修饰单例成员变量，同时还完成了懒加载。

• 代码简单
• 能实现最高性能

public class SingletonDemo3 {
    private SingletonDemo3() {
        System.out.println("默认构造函数必须要为private，否则别人可以new这个对象");
    }

    private static class Holder {
        private static SingletonDemo3 instance = new SingletonDemo3();
    }

    public static SingletonDemo3 getInstance() {
        return Holder.instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(100);
        StopWatch stopWatch = new StopWatch();
        stopWatch.start();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                getInstance();
            });
        }
        executorService.shutdown();
        stopWatch.stop();
        System.out.println(stopWatch.prettyPrint());
    }
}

评价

单例模式不要使用方法锁，最好依靠类加载器的方式实现，双查模式也可以基本满足需求。