设计模式之单例模式

Sarience 5月 18, 2017

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：
1、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。
2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。
3、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。

饿汉模式

例子：

//简单的单例类  饿汉模式
	public class Singleton {  
		/* 持有私有静态实例，防止被引用*/  
		private static Singleton instance = new Singleton();  
		/* 私有构造方法，防止被实例化 */  
		private Singleton() {  
		}  
		/* 静态工程方法，返回Singleton实例 */  
		public static Singleton getInstance() {  
		    return instance;  
		}  
		
	}

这个类是可以实现单例模式的，但是存在不少问题,比如在类中不管用户是否要使用该类的对象,就先创建好了一个实例放在内存中。

懒汉模式

//简单的单例类 懒汉模式
	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;  
		}  
		
	}

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作为修饰符在方法上使用,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关键字加在了方法内部，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();语句并非是一个原子操作,在 JVM 中这句代码大概做了下面 3 件事情:

给 new的对象分配内存
调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
将引用instance指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 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，另外一个线程B抢夺到了CPU的执行权,这时instance已经是非null了（但却没有初始化），所以线程B会直接返回 instance，然后使用，结果就会出现问题了(因为对象还没有初始化)。

还有另外一种解决方案: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(就是加载完毕后别的线程才能使用)。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。例如：

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 */  
		private Object readResolve() {  
		    return getInstance();  
		}  
	}

但是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。

同时，我们还可以使用反射去创建这个类的对象，即使它的构造器是私有的，我们也是可以调用到的。那么这个时候我们就需要再次修改代码去访问别人反射调用构造器。
例子:

//在构造器中控制一下，构造器只允许调用一次,之后在调用就抛出异常
	public class Singleton {  
		private static boolean flag;
		/* 私有构造方法，防止被实例化 */  
		private Singleton() {  
			if(!flag){
				flag = false;
			}else{
				throw new RuntimeException("不能多次创建单例对象");
			}
		}  
		/* 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 */  
		private Object readResolve() {  
		    return getInstance();  
		}  
	}

反射的问题处理完了之后，这里还有一个问题，就是如果把单例对象进行序列化然后再反序列化,那么内存中就会出现俩个一样的单例对象，只是内存地址不同。这种情况我们可以使用readResolve方法来防止。

1	private Object readResolve(){.....}

ObjectInputStream 会检查对象的class是否定义了readResolve方法。如果定义了，将由readResolve方法指定返回的对象。返回对象的类型一定要是兼容的，否则会抛出ClassCastException 。
例如:

public abstract class Singleton8 implements Serializable{  
		private static final long serialVersionUID = 7863921642928237696L;
		/* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
		private static class SingletonFactory {  
		    @SuppressWarnings("serial")
			private static Singleton8 instance = new Singleton8(){};
		}  
		
		//测试方式,把单例对象序列化后再反序列化从而获得一个新的对象 就相当于复制了一个单例对象
		public Singleton8 copy() throws Exception{  
		        ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();  
		        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(os);  
		        oos.writeObject(Singleton8.getInstance());  
		          
		        InputStream is = new ByteArrayInputStream(os.toByteArray());  
		        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(is);  
		        Singleton8 obj = (Singleton8) ois.readObject();  
		        return obj;  
		} 
		
		/* 获取实例 */  
		public static Singleton8 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 */  
		/* 把这个方法注释前和注释后来运行测试代码观察结果 */  
		private Object readResolve() {  
		    return getInstance();  
		}  
	}

最后再思考一个问题 : 是否可以使用枚举来实现单例模式?

使用静态工厂方法或者传统地声明一个public的实例域（并将构造器声明为private），都可以实现单例模式，但是使用反射机制都可以获取不同的实例。

自从枚举出现以后，单元素枚举就成为了单例的绝佳选择。

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.INSTANCE;
        Singleton singleton2 = Singleton.INSTANCE;
        System.out.print(singleton1==singleton2);
    }
}

结果是true，说明单元素枚举的单例方案确实可行。