单例模式

  保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。
  单例模式的使用场景有以下几种:

  • 整个项目需要一个共享访问点或共享数据;
  • 创建一个对象需要耗费的资源过多,比如访问I/O或者数据库等资源;
  • 工具类对象;

  单例模式的六种写法如下。

饿汉模式

  这种方式在类加载的时候就完成了初始化,所以类加载比较慢,但获取对象的速度快。这种方式基于类加载机制,避免了多线程的同步问题。在类加载的时候就完成实例化,没有达到懒加载的效果。如果从始至终未使用过这个实例,则会造成内存的浪费。

public class Singleton(){
    private static Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton(){
    }
    
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

懒汉模式(线程不安全)

  懒汉模式声明了一个静态对象,在用户第一次调用时初始化。这虽然节约了资源,但第一次加载时需要实例化,反应稍慢一些,而且在多线程时不能正常工作。

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

懒汉模式(线程安全)

  下面这种写法能够在多线程中很好地工作,但是每次调用getInstance()方法时都需要进行同步。这会造成不必要的同步开销,而且大部分时候我们是用不到同步的。所以,不建议用这种模式。

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

双重检查模式(DCL)

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

  这种写法在getInstance()方法中对Singleton进行了两次判空:第一次是为了不必要的同步,第二次是在Singleton等于null的情况下才创建实例。在这里要对此说明一下。
  假设线程A执行到instance = new Singleton()语句,这里看起来是一句代码,但实际上它并不是一个原子操作,这句代码最终会被编译成多条汇编指令,它大致做了三件事情:
1 . 给Singleton的实例分配内存;
2 . 调用Singleton()的构造函数,初始化成员字段;
3 . 将instance对象指向分配的内存空间(此时instance就不是null了);
  但是,由于Java编译器允许处理器乱序执行,以及JDK 1.5之前JVM中Cache、寄存器到主内存回写顺序的规定,上面的第二步和第三步的顺序是无法保证的。也就是说,执行顺序 可能是1-2-3,也可能是1-3-2。如果是后者,在执行完第三步但还未执行第二步之前,切换到了线程B上了,这时候instance因为已经在线程A内执行过了第三点,instance已经是非空了,所以,线程B直接取走了instance,再使用时就会出错,这就是DCL失效问题。
  在JDK 1.5之后,SUN官方已经注意到这种问题,调整了JVM,具体化了volatile关键字,因此,如果JDK是1.5或之后的版本,只需要将instance的定义改为private volatile static Singleton instance = null;就可以保证instance对象每次都是从主内存中读取,就可以使用DCL的写法来完成单例模式。当然,volatile或多或少会影响到性能,但考虑到程序的正确性,牺牲这点性能还是值得的。
DCL的优点是资源利用率高。第一次执行getInstance()时,单例对象才被实例化,效率高。其缺点是第一次加载时反应稍慢一些,在高并发环境下也有一定的缺陷。

静态内部类单例模式

DCL虽然在一定程度上解决了资源的消耗和多余的同步、线程安全等问题,但其还是在某些情况下会出现失效的问题,也就是DCL失效。建议使用静态内部类单例模式来替代DCL。

public class Singleton{

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

  第一次加载Singleton类时并不会初始化sInstance,只有第一次调用getInstance()方法时虚拟机加载SingletonHolder并初始化sInstance。这样不仅能确保线程安全,也能保证Singleton类的唯一性。所以,推荐使用静态内部类单例模式。

枚举单例

  默认枚举实例的创建是线程安全的,并且在任何情况下都是实例。枚举单例的优点就是简单,但是大部分应用开发很少用枚举,其可读性并不是很高。

public enum Singleton{
    INSTANCE;
    public void doSomeThing(){
    }
}

  在上面讲的几种单例模式实现中,有一种情况下会重新创建对象,那就是反序列化:将一个单例实例对象写到磁盘再读回来,从而获得一个实例。反序列化操作提供了readResolver()方法,这个方法可以让开发人员控制对象的反序列化。在上述几个方法示例中,如果要杜绝单例对象被反序列化时重新生成对象,就必须加入如下方法:

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