深入解析单例设计模式

1.单例设计模式

• 1.1 单例设计模式的定义：

  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

• 1.2单例设计模式的要点有三个：

  1. 是某个类只能有一个实例；
  2. 是它必须自行创建这个实例；
  3. 是它必须自行向整个系统提供这个实例。

• 1.3从具体实现角度来说，就是以下三点：

  1. 是单例模式的类只提供私有的构造函数
  2. 是类定义中含有一个该类的静态私有对象
  3. 是该类提供了一个静态的公有的函数用于创建或获取它本身的静态私有对象。

上述是一个广义的概念，那么在具体开发中单例带来了什么呢？

2.在java语言中，单例带来了两大好处：

1. 对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级的对象而言，是非常可观的一笔系统开销。

2. 由于new操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻GC压力，缩短GC停顿时间。

所以对于系统的关键组件和被频繁操作的对象，使用单例模式便可以有效地改善系统性能。

单例的参与者非常简单，只有单例类和使用者两个；

3.下面介绍一下几种实现单例设计模式的写法

3.1 懒汉，线程不安全

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton (){}

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

这种写法能够在多线程中很好的工作，而且看起来它也具备很好的lazy loading，但是，遗憾的是，效率很低，99%情况下不需要同步。

3.2 饿汉

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

这种方式基于classloder机制避免了多线程的同步问题，instance在类装载时就实例化。目前java单例是指一个虚拟机的范围，因为装载类的功能是虚拟机的，所以一个虚拟机在通过自己的ClassLoader装载饿汉式实现单例类的时候就会创建一个类的实例。这就意味着一个虚拟机里面有很多ClassLoader，而这些classloader都能装载某个类的话，就算这个类是单例，也能产生很多实例。当然如果一台机器上有很多虚拟机，那么每个虚拟机中都有至少一个这个类的实例的话，那这样 就更不会是单例了。(这里讨论的单例不适合集群！)

3.3 静态内部类

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

这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程，这种方式是Singleton类被装载了，instance不一定被初始化。因为SingletonHolder类没有被主动使用，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显示装载SingletonHolder类，从而实例化instance。想象一下，如果实例化instance很消耗资源，我想让他延迟加载！这个时候，这种方式相比第2种方式就显得很合理。

3.4 枚举

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

这种方式是Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象，可谓是很坚强的壁垒啊，不过，个人认为由于1.5中才加入enum特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，我也很少看见有人这么写过。

3.5 双重校验锁(jdk1.5)

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

这样方式实现线程安全地创建实例，而又不会对性能造成太大影响。它只是第一次创建实例的时候同步，以后就不需要同步了。

由于volatile关键字屏蔽了虚拟机中一些必要的代码优化，所以运行效率并不是很高，因此建议没有特别的需要不要使用。双重检验锁方式的单例不建议大量使用，根据情况决定。

4.总结

有两个问题需要注意：

1. 如果单例由不同的类装载器装入，那便有可能存在多个单例类的实例。假定不是远端存取，例如一些servlet容器对每个servlet使用完全不同的类装载器，这样的话如果有两个servlet访问一个单例类，它们就都会有各自的实例。

2. 如果Singleton实现了java.io.Serializable接口，那么这个类的实例就可能被序列化和复原。不管怎样，如果你序列化一个单例类的对象，接下来复原多个那个对象，那你就会有多个单例类的实例。

对第一个问题修复的办法是：

private static Class getClass(String classname)    
                                         throws ClassNotFoundException {   
      ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();   
    
      if(classLoader == null)   
         classLoader = Singleton.class.getClassLoader();   
    
      return (classLoader.loadClass(classname));   
   }   
}

对第二个问题修复的办法是：

public class Singleton implements java.io.Serializable {   
   public static Singleton INSTANCE = new Singleton();   
    
   protected Singleton() {   
      
   }   
   private Object readResolve() {   
            return INSTANCE;   
      }  
}