JAVA設計模式之單例模式

本文繼續介紹23種設計模式系列之單例模式。

概念：
　　Java中單例模式是一種常見的設計模式，單例模式的寫法有好幾種，這裡主要介紹三種：懶漢式單例、餓漢式單例、登記式單例。
　　單例模式有以下特點：
　　1、單例類別只能有一個實例。
　　2、單例類別必須自行創建自己的唯一實例。
　　3、單例類別必須提供此實例給所有其他物件。
　　單例模式確保某個類別只有一個實例，而且自行實例化並向整個系統提供這個實例。在電腦系統中，執行緒池、快取、日誌物件、對話方塊、印表機、顯示卡的驅動程式物件常被設計成單例。這些應用都或多或少具有資源管理器的功能。每台電腦可以有若干台印表機，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個列印作業同時輸出到印表機。每台電腦可以有若干通信端口，系統應集中管理這些通信端口，以避免一個通信端口同時被兩個請求同時調用。總之，選擇單例模式就是為了避免不一致狀態，避免政出多頭。

一、懶漢式單例

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己   
public class Singleton {  
    private Singleton() {}  
    private static Singleton single=null;  
    //静态工厂方法   
    public static Singleton getInstance() {  
         if (single == null) {    
             single = new Singleton();  
         }    
        return single;  
    }  
}

Singleton透過將構造方法限定為private避免了類別在外部被實例化，在同一個虛擬機範圍內，Singleton的唯一實例只能透過getInstance()方法存取。

（事實上，透過Java反射機制是能夠實例化構造方法為private的類別的，那基本上會使所有的Java單例實現失效。此問題在此處不做討論，姑且掩耳盜鈴地認為反射機制不存在。是對getInstance這個方法改造，保證了懶漢式單例的線程安全，如果你第一次接觸單例模式，對線程安全不是很了解，可以先跳過下面這三小條，去看餓漢式單例，等看完後面再回頭考慮線程安全的問題：

1、在getInstance方法上加同步

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

2、雙重檢查鎖定

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

3、靜態內部類

public class Singleton {    
    private static class LazyHolder {    
       private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();    
    }    
    private Singleton (){}    
    public static final Singleton getInstance() {    
       return LazyHolder.INSTANCE;    
    }    
}

reee 1、2都好一些，既實現了線程安全，也避免了同步帶來的效能影響。

二、餓漢式單例

//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化   
public class Singleton1 {  
    private Singleton1() {}  
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();  
    //静态工厂方法   
    public static Singleton1 getInstance() {  
        return single;  
    }  
}

餓漢式在類別創建的同時就已經創建好一個靜態的對象供系統使用，以後是這樣改變，所以天生就是安全的。

三、登記式單例(可忽略)

//类似Spring里面的方法，将类名注册，下次从里面直接获取。  
public class Singleton3 {  
    private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();  
    static{  
        Singleton3 single = new Singleton3();  
        map.put(single.getClass().getName(), single);  
    }  
    //保护的默认构造子  
    protected Singleton3(){}  
    //静态工厂方法,返还此类惟一的实例  
    public static Singleton3 getInstance(String name) {  
        if(name == null) {  
            name = Singleton3.class.getName();  
            System.out.println("name == null"+"--->name="+name);  
        }  
        if(map.get(name) == null) {  
            try {  
                map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance());  
            } catch (InstantiationException e) {  
                e.printStackTrace();  
            } catch (IllegalAccessException e) {  
                e.printStackTrace();  
            } catch (ClassNotFoundException e) {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
        return map.get(name);  
    }  
    //一个示意性的商业方法  
    public String about() {      
        return "Hello, I am RegSingleton.";      
    }      
    public static void main(String[] args) {  
        Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);  
        System.out.println(single3.about());  
    }  
}

 登記式單例實際上維護了一組單例類的實例，將這些實例存放在一個Map（登記薄）中，對於已經登記過的實例，則從Map直接傳回，對於沒有登記的，則先登記，然後傳回。

這裡我對登記式單例標記了可忽略，我的理解來說，首先它用的比較少，另外其實內部實現還是用的餓漢式單例，因為其中的static方法塊，它的單例在類別被裝載的時候就被實例化了。

餓漢式和懶漢式區別

從名字上來說，餓漢和懶漢，

餓漢就是類一旦加載，就把單例初始化完成，保證getInstance的時候，單例是已經存在的了，

而懶漢比較懶，只有當調用getInstance的時候，才回去初始化這個單例。

另外從以下兩點再區分以下這兩種方式：

1、線程安全：

餓漢式天生就是線程安全的，可以直接用於多線程而不會出現問題，

餓漢式天生就是線程安全的，可以直接用於多線程而不會出現問題，

懶漢式本身是非線程安全的，為了實現線程安全有幾種寫法，分別是上面的1、2、3，這三種實現在資源加載和性能方面有些區別。

2、資源加載和性能：

餓漢式在類創建的同時就實例化一個靜態對像出來，不管之後會不會使用這個單例，都會佔據一定的內存，但是相應的，在第一次呼叫時速度也會更快，因為其資源已經初始化完成，

而懶漢式顧名思義，會延遲加載，在第一次使用該單例的時候才會實例化對像出來，第一次呼叫時要做初始化，如果要做的工作比較多，效能上會有些延遲，之後就跟餓漢式一樣了。

至於1、2、3這三種實現又有些區別，

第1種，在方法調用上加了同步，雖然線程安全了，但是每次都要同步，會影響性能，畢竟99%的情況下是不需要同步的，

第2種，在getInstance中做了兩次null檢查，確保了只有第一次調用單例的時候才會做同步，這樣也是線程安全的，同時避免了每次都同步的效能損耗

第3種，利用了classloader的機制來確保初始化instance時只有一個線程，所以也是線程安全的，同時沒有效能損耗，所以一般我傾向於使用這一種。

什么是线程安全？

如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作，或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题，那就是线程安全的。

应用

以下是一个单例类使用的例子，以懒汉式为例，这里为了保证线程安全，使用了双重检查锁定的方式：

public class TestSingleton {  
    String name = null;  
  
        private TestSingleton() {  
    }  
  
    private static volatile TestSingleton instance = null;  
  
    public static TestSingleton getInstance() {  
           if (instance == null) {    
             synchronized (TestSingleton.class) {    
                if (instance == null) {    
                   instance = new TestSingleton();   
                }    
             }    
           }   
           return instance;  
    }  
  
    public String getName() {  
        return name;  
    }  
  
    public void setName(String name) {  
        this.name = name;  
    }  
  
    public void printInfo() {  
        System.out.println("the name is " + name);  
    }  
  
}

可以看到里面加了volatile关键字来声明单例对象，既然synchronized已经起到了多线程下原子性、有序性、可见性的作用，为什么还要加volatile呢，原因已经在下面评论中提到，

还有疑问可参考http://www.iteye.com/topic/652440
和http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

public class TMain {  
    public static void main(String[] args){  
        TestStream ts1 = TestSingleton.getInstance();  
        ts1.setName("jason");  
        TestStream ts2 = TestSingleton.getInstance();  
        ts2.setName("0539");  
          
        ts1.printInfo();  
        ts2.printInfo();  
          
        if(ts1 == ts2){  
            System.out.println("创建的是同一个实例");  
        }else{  
            System.out.println("创建的不是同一个实例");  
        }  
    }  
}

 运行结果：

结论：由结果可以得知单例模式为一个面向对象的应用程序提供了对象惟一的访问点，不管它实现何种功能，整个应用程序都会同享一个实例对象。

对于单例模式的几种实现方式，知道饿汉式和懒汉式的区别，线程安全，资源加载的时机，还有懒汉式为了实现线程安全的3种方式的细微差别。