Java设计模式系列之单例模式

单例模式的定义

一个类有且仅有一个实例，并且自行实例化向整个系统提供。比如，多程序读取一个配置文件时，建议配置文件时，建议配置文件封装成对象。会方便操作其中的数据，又要保证多个程序读到的是同一个配置文件对象，就需要该配置文件对象在内存中是唯一的。

单例模式的作用

简单说来，单例模式（也叫单件模式）的作用就是保证在整个应用程序的生命周期中，任何一个时刻，单例类的实例都只存在一个（当然也可以不存在）。

单例模式的类图

如何保证对象的唯一性

思想：(1)不让其他程序创建该类对象;

　　　(2)在本类中创建一个本类对象;

　　  (3)对外提供方法，让其他程序获取这个对象;

步骤：(1)因为创建对象都需要构造函数初始化，只要将本类中的构造函数私有化，其他程序就无法再创建该类的对象;

　　　(2)就在类中创建一个本类的对象;

　　  (3)定义一个方法，返回该对象，让其他程序可以通过方法得到本类的对象(作用：可控,本类对象的产生由自己来决定，别谁想new就new)

【温情提示】：我们如果把代码写成这样，用户端获取到getInstance方法不是也可以获取很多的类对象吗?这不就不是单例了吗?

public class Car {

    private Car(){

    }
    public static  Car getInstance(){
        return new Car();
    }
}

所以我们直接自己在类中自己创建一个对象，getInstance方法只负责把对象返回给调用者，完全实现单例可控(你能获取我的方法，但是能拿到的是我自己创建好的对象)

public class Car {

    private static Car car=new Car();
    private Car(){

    }
    public static  Car getInstance(){
        return car;
    }
}

代码体现：

　　　(1)私有化构造函数

　　  (2)创建私有并静态的本类的对象

　　　(3)定义公有并静态的方法，返回该对象;

代码实现主要有两种方式:饿汉模式和懒汉模式

饿汉模式：类加载的时候对象就已经存在，饿汉式是线程安全的,在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用,以后不再改变。

public class Single {

    private static Single s=new Single();
    private Single(){

    }
    public static Single getInstance(){
        return s;
    }
}

懒汉模式：类加载的时候对象还不存在，就是所谓的延迟加载方式，需要时再进行创建，懒汉式若在创建实例对象时不加上synchronized则会导致对对象的访问不是线程安全的

public class Single {

    private static Single single = null;

    private Single() {

    }

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

下面我们解释一下，懒汉式的线程不安全性，通常情况下，我们建议写饿汉式，因为是线程安全的。
当多线程访问懒汉式时，因为懒汉式的方法内对共性数据进行多条语句的操作。

两个线程，线程一和线程二同时调用了getInstance方法，当线程1执行了if判断,single为空，还没来得及执行single =new Single()创建对象，这个时候线程2就来了，它也进行if判断，single依然为空，则创建Single对象，此时，两个线程就会创建两个对象，违背我们单例模式的初衷，如何解决呢?

出现线程安全的问题，为了解决这种问题，加入同步机制(不熟悉同步机制的请自行百度吧):静态同步函数的锁是类的字节码文件对象

　　

这样一种设计可以保证只产生一个实例，并且只会在初始化的时候加同步锁，看似精妙绝伦，但却会引发另一个问题，这个问题由指令重排序引起。(这一部分来自：http://blog.csdn.net/zhangzeyuaaa/article/details/42673245)

指令重排序是为了优化指令，提高程序运行效率。指令重排序包括编译器重排序和运行时重排序。JVM规范规定，指令重排序可以在不影响单线程程序执行结果前提下进行。例如 instance = new Singleton() 可分解为如下伪代码：

memory = allocate();   //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory);  //2：初始化对象
instance = memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址

但是经过重排序后如下：

memory = allocate();   //1：分配对象的内存空间
instance = memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址
                       //注意，此时对象还没有被初始化！
ctorInstance(memory);  //2：初始化对象

将第2步和第3步调换顺序，在单线程情况下不会影响程序执行的结果，但是在多线程情况下就不一样了。线程A执行了instance = memory（这对另一个线程B来说是可见的），此时线程B执行外层 if (instance == null)，发现instance不为空，随即返回，但是得到的却是未被完全初始化的实例，在使用的时候必定会有风险，这正是双重检查锁定的问题所在！

在JDK1.5之后，可以使用volatile变量禁止指令重排序：

代码实现：

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

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

volatile的另一个语义是保证变量修改的可见性。

好，到这里，就真正的把单例模式介绍完了，在此呢再总结一下单例类需要注意的几点：

一、单例模式是用来实现在整个程序中只有一个实例的。

二、单例类的构造函数必须为私有，同时单例类必须提供一个全局访问点。

三、单例模式在多线程下的同步问题和性能问题的解决。

四、懒汉式和饿汉式单例类。

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