06.14 單例模式 Java

概述

單例模式保證對於每一個類加載器，一個類僅有一個實例並且提供全局的訪問。其是一種對象創建型模式。對於單例模式主要適用以下幾個場景：

• 系統只需要一個實例對象，如提供一個唯一的序列號生成器
• 客戶調用類的單個實例只允許使用一個公共訪問點，除了該公共訪問點，不能通過其他途徑訪問該實例

單例模式的缺點之一是在分佈式環境中，如果因為單例模式而產生 bugs，那麼很難通過調試找出問題所在，因為在單個類加載器下進行調試，並不會出現問題。

實現方式

一般來說，實現枚舉有五種方式：餓漢式、懶漢式、雙重鎖檢驗、靜態內部類、枚舉，而這裡我將這五種方式分為三部分來介紹。

餓漢式加載

public class Singleton {
 //私有構造器，所以無法實例化類對象 

 private Singleton() {}

 //類靜態實例域
 private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

 //返回類實例
 public static Singleton getInstance() {
 return INSTANCE;
 }
}

直接初始化靜態實例保證了線程安全，但是此種方式不是懶加載的，單例一開始就初始化了，無法在我們需要的時候再進行初始化。

懶漢式加載

//實例在這個方法第一次被調用的時候進行初始化
public static synchronized Singleton getInstance() {
 if (instance == null) {
 instance = new Singleton();
 }
 return instance;
}

getInstance() 方法設置為 synchronized 保證了線程安全，但是其效率並不高，因為在任何時候只有一個線程能夠訪問這個方法，而同步操作僅需在第一次被調用的時候才被需要。

此方法的一種改進是使用雙重鎖檢驗。

public class ThreadSafeDoubleCheckLocking {
 

 private static volatile ThreadSafeDoubleCheckLocking instance;

 private ThreadSafeDoubleCheckLocking() {}

 public static ThreadSafeDoubleCheckLocking getInstance() {
 //局部變量可以提高25%的性能，這個局部變量確保instance只在已經被初始化的情況下讀取一次
 //《Effective Java 第2版》P250頁
 ThreadSafeDoubleCheckLocking result = instance;
 //檢查實例是否已經別初始化
 if (result == null) {
 //未被初始化，但是無法確定這時其他線程是否已經對其初始化，因此添加對象鎖進行互斥
 synchronized (ThreadSafeDoubleCheckLocking.class) {
 //再一次將instance賦值給局部變量來進行檢查，因為有可能在當前線程阻塞的時候，其他線程對instance進行初始化
 result = instance;
 if (result == null) {
 //此時還未被初始化的話，在這裡初始化可以保證線程安全
 instance = result = new ThreadSafeDoubleCheckLocking();
 }
 }
 }
 return result;
 }
}

上面的雙重鎖檢驗使用了《Effective Java 第2版》提出的一個優化方式，另外值得一提的是，對於 instance 域被聲明為 volatile 是很重要的。當一個變量定義為 volatile 之後，它就具備了兩種特性，第一是保證了此變量對所有線程的可見性，“可見性”指的是當一條線程修改了這個變量的值，新值對於其他線程來說是可以立即得知的（注意基於volatile變量的運算在併發編程下並非是安全的，例如：假設被volatile修飾的域進行自增運算，而自增運算並不是原子操作，那麼第二個線程就可能在讀取舊值和寫回新值的期間讀取到這個域，導致第二個線程看到的值與第一個線程未自增前的值一樣，詳細瞭解的話可查看《深入理解Java虛擬機 第2版》P366 基於volatile型變量的特殊規則）；第二是禁止指令重排序優化。

在進行初始化的時候 instance = result = new ThreadSafeDoubleCheckLocking() ，此時 JVM 大致做了三件事：

• 1.給instance分配內存
• 2.調用構造函數進行初始化
• 3.instance對象指向被分配的內存

沒有聲明為 volatile ，那麼指令重排序後，可能執行的順序是 1-3-2，當線程一執行到3這個步驟，還未執行步驟2（instance非null，但未初始化），那麼對於線程二，此時檢測到 instance 並非是 null，直接返回 instance，就會出現錯誤。需要說明的一點是，JDK 1.5以後， volatile才真正發揮用處，因此在1.5以前，仍然是無法保證安全的，具體可查看 The "Double-Checked Locking is Broken" Declaration .

另外一種懶加載方式就是使用靜態內部類的方法：

public class InitializingOnDemandHolderIdiom {
 private InitializingOnDemandHolderIdiom() {}

 public static InitializingOnDemandHolderIdiom getInstance() {
 return HelperHolder.INSTANCE;
 }

 private static class HelperHolder {
 private static final InitializingOnDemandHolderIdiom INSTANCE =
 new InitializingOnDemandHolderIdiom();
 }
}

這種方式是線程安全的，同時也是懶加載的。 HelperHolder 是私有的，除了 getInstance()外沒有辦法訪問。這種方式不需要依賴其他語言特性（volatile，synchronized），也不依賴JDK版本。

枚舉

《Effective Java 第2版》P15 中提到實現單例的一種新方式，使用枚舉來實現單例。枚舉類型是Java 5中新增特性的一部分，因此使用這種方式實現的枚舉，要求至少是 JDK 1.5版本及其以上。枚舉本身保證了線程安全，並且提供了序列化機制，因此這種方式寫起來極為簡潔。

public enum Singleton {
 INSTANCE;
}

當然，對於使用枚舉來實現單例模式也有一些缺點，具體可以查看 StackOverflow 的討論。

典型使用場景

• 日誌紀錄類
• 管理與數據庫的連接
• 文件管理系統