java设计模式（四）--单例模式

Singleton最熟悉不过了，下面学习单例模式。转载：http://zz563143188.iteye.com/blog/1847029

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。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

1.简单的单例

package com.test.java.designPattern.singleton;
 
/**
 * 单例模式
 * Created by mrf on 2016/2/27.
 */
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;
    }
 
    /*如果该对象用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致*/
    public Object readResolve(){
        return instance;
    }
}

这个类可以满足基本需求，但有线程安全问题，在多线程环境下，getInstance可能会创建多个。解决很简单，直接加synchronized就可以了：

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

但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance都要在对象上锁，事实上，只有第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方可以改进。如下：

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

这样似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加到了内部(注意上锁的是类对象而不是实例对象instance，否则nullpoint)，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，性能上有一定的提升。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();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

A、B线程同时进入了第一个if判断

A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();

由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

然而，我大概测试了几次，有时候会初始化2次甚至3次，代码：

/**
 * 单例模式
 * Created by mrf on 2016/2/27.
 */
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;
 
    public int i = 0;
 
    /*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){
            synchronized(Singleton.class){
                System.out.println("创建初始化=================================================================================");
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
 
    public void testInstance(){
//        instance.i = 2;
    }
 
    /**结果：
     * 我测试了多次,有时候会初始化两次
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    Singleton instance = Singleton.getInstance();
                    instance.testInstance();
                }
            }).start();
        }
    }
 
    /*如果该对象用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致*/
    public Object readResolve(){
        return instance;
    }
 
}

结果：

创建初始化=================================================================================
创建初始化=================================================================================

所以，程序还是可能发生错误，其实程序运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更难。内存模型允许所谓的“无序写入”，这也是失败的一个主要原因。下一步，再优化：

单例模式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。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。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

/**
 * 改进，因为jvm创建instance这个实例也会出问题，创建变量和赋值是两个操作，顺序不定。
 */
class Singleton2{
 
    /*私有构造方法，防止被实例化*/
    private Singleton2(){
    }
 
    /*此处使用一个内部类来维护单例*/
    private static class SingletonFactory{
        private static Singleton2 instance = new Singleton2();
    }
    /*获取实例*/
    public static Singleton2 getInstance(){
        return SingletonFactory.instance;
    }
 
    /*如果该对象用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致*/
    public Object readResolve(){
        return getInstance();
    }
 
}

其实说它完美，也不一定，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。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：

/**
 * 安全的实现了单例
 */
class Singleton3{
    private static volatile  Singleton3 instance = null;
    public int i;
 
    private Singleton3(){
    }
 
    private static synchronized void syncInit(){
        if(instance == null){
            System.out.println("Singleton3创建初始化======================================================");
            instance = new Singleton3();
        }
    }
 
    public static Singleton3 getInstance(){
        if(instance ==null){
            syncInit();
        }
        return instance;
    }
    public void testInstance(){
    }
    /**结果：
     * 我测试了多次没发现问题
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    Singleton3 instance = Singleton3.getInstance();
                    instance.testInstance();
                }
            }).start();
        }
    }
}

上述方法在effective java中就是double check，因为前一种的同步使得每次获取实例时都要上锁，事实上只有第一次才需要上锁。那么双重检查，第一个if null可以过滤掉非初始化的操作，在初始化时上锁再检查if null。因此，代码也可以这样写：

/**
 * double check
 */
class Singleton4{
    private volatile static Singleton4 instance = null;
 
    private Singleton4() {
 
    }
 
    public static Singleton4 getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton4();
            }
        }
        return instance;
    }
}

2.补充：采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

/**
 * 影子实例：为单例对象的属性同步更新
 */
class SingletonTest{
    private static SingletonTest instance = null;
    private Vector properties = null;
 
    public Vector getProperties(){
        return properties;
    }
 
    private SingletonTest(){
    }
 
    private static synchronized void synInit(){
        if (instance ==null){
            instance = new SingletonTest();
        }
    }
 
    public static SingletonTest getInstance(){
        if(instance == null){
            synInit();
        }
        return instance;
    }
 
    public void updateProperties(){
        SingletonTest shadow = new SingletonTest();
        properties = shadow.getProperties();
    }
}

通过单例模式的学习告诉我们：

单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。

sinchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用(注意需要使用所的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁)。

到这里，单例模式基本学习完毕，结尾处，有个问题：就是采用类的静态方法实现单例模式的效果也是可行的，此处二者有什么不同？

首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态，因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）。

其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载就初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。

再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆盖重写。但静态类的内部方法都是static，无法重写。

最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其他功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数据+链表来实现一样，其他生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是结合各个方法的优点。