【設計模式篇】單例模式

2019-11-14 15:30:30

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

01 單例模式

　　單例模式，只有一個實例存在于整個JVM中，保證只有一個實例，并可以被外界訪問。它是一種常用的設計模式之一。實現單例模式

的方法有很多種，然而需要考慮包括線程安全在內的一些因素。以下列舉了幾種典型的實現方法。

02 實現及問題

方法一：懶漢式實現

　　【懶漢式】私有化構造函數，創建靜態方法，提供單例引用，延遲加載。　重大缺陷：線程不安全，線程A希望能夠使用Singleton

實例，于是第一次調用靜態方法getInstance()，發現此時singleton==null，準備創建實例，突然CPU發生時間片切換，線程B也希望

調用該實例，此時A并未創建，因此singleton==null，B創建Singleton實例，執行完成后，線程A繼續執行，因為已經判斷過singleto

n==null，所以也創建了一個實例對象。最終導致單例失敗。

 1 /** 2  * 懶漢式 寫法1 3  * @author Administrator 4  * 5  */ 6 public class Singleton { 7     PRivate Singleton(){ 8          9     }10     private static Singleton singleton=null;11     //靜態工廠方法12     public static Singleton getInstance(){13         if(singleton==null){14             singleton=new Singleton();15         }16         return singleton;17     }18 }

方法二：餓漢式實現

　　【餓漢式】懶漢式存在線程安全問題，無法在多線程下實現單例。餓漢式的方法就是可以在類加載時創建一個靜態實例。其缺點在

于類的初始化開銷大。然而卻是天生安全的。

 1 /** 2  * 餓漢式：類初始化時，實例化。 3  * @author Administrator 4  * 5  */ 6 public class Singleton3 { 7     private Singleton3(){ 8          9     }10     private static final Singleton3 singleton=new Singleton3();11     public static Singleton3 getInstance(){12         return singleton;13     }14 }

方法三：同步懶漢式1

　　【synchronized】在靜態方法getInstance()前添加synchronized同步關鍵字實現方法同步，重大缺點：執行效率低。每一次調

用getInstance()都需要加鎖，而加鎖是非常耗時的，應盡量避免。

 1 /** 2  * 同步懶漢式1，添加synchronized 3  * @author Administrator 4  * 5  */ 6 public class Singleton1 { 7     private Singleton1(){ 8          9     }10     private static Singleton1 singleton=null;11     //靜態工廠方法12     public static synchronized Singleton1 getInstance(){13         if(singleton==null){14             singleton=new Singleton1();15         }16         return singleton;17     }18 }

方法四：雙重檢測懶漢式

　　雙重檢測：即在同步塊前后分別判斷實例是否不為空。可以減少同步數。只有當instance==null的時候，才需要進入同步塊，進行

加鎖操作。當已經創建后，則無需進入同步塊，即不需要加鎖操作，只有第一次需要創建實例對象時，多個線程才需要進入同步塊，節

省了時間。

 1 /** 2  * 雙重檢測懶漢式：雙重檢測，提高效率 3  * @author Administrator 4  * 5  */ 6 public class Singleton2 { 7     private Singleton2(){ 8          9     }10     private static volatile  Singleton2 singleton=null;11     //靜態工廠方法12     public static Singleton2 getInstance(){13         if(singleton==null){    //若該線程檢測到不為空，則不用創建，否則，進入同步塊14             synchronized(Singleton2.class){15                 if(singleton==null){    //多個線程開始同步，若一個線程創建成功，則其它后進入的線程都不用創建16                     singleton=new Singleton2();17                 }18             }19             20         }21         return singleton;22     }23 }

　　在雙重檢測中，使用了 volatile 關鍵字，能夠保證訪問到的變量是最后修改的。為什么要加volatile關鍵字呢？因為在java中雙重

檢測很可能導致失敗的結果，得到一個存在但未初始化完成的實例。《Java與模式》的總結是：在Java編譯器中，Singleton類的初

始化與instance變量賦值的順序不可預料。如果一個線程在沒有同步化的條件下讀取instance引用，并調用這個對象的方法的

話，可能會發現對象初始化過程尚未完成，從而造成崩潰。

　　其原因在于 Java虛擬機中實現的無序寫入問題。所謂無序寫入，JVM編譯器能用不同的順序從程序的解釋中生成指令，并且存儲

變量在寄存器中，而并非內存，處理器可以并行或者顛倒次序的執行指令。完成的結果與嚴格連續執行的結果一致。例如在雙重檢測中

singleton=new Singleton() 語句可能包含下列偽代碼表示的指令。

　　----------------------------------------------------------

　　memory=allocate()；　//1、分配內存

　　memory=Singleton();　　//2、初始化實例

　　singleton=memory；　　//3、將實例賦值給引用變量。

　　----------------------------------------------------------

　　由于JVM中存在無序寫入問題，那么很可能先執行語句3，再執行語句2。即如下所以：

　　----------------------------------------------------------

　　memory=allocate();　　//1、分配內存

　　singleton=memory();　　//2、將未初始化的實例復制給引用變量

　　memory=Singleton();　　//3、實例初始化

　　----------------------------------------------------------

　　如果在執行語句2后，線程切換成另外一個線程，此時線程可知 instance!=null，然而此時該實例卻是未初始化的。詳細解釋

可以參考文獻[1]。

　　那么是否加了volatile關鍵字雙重檢測就達到最優了呢？不是，因為volatile與synchronized有相當的含義，訪問變量時

效率同synchronized。且由于兩次檢測，相比synchronized block 效率更低一些。[1]

方法五：靜態內部類

　　使用靜態內部類存放靜態實例對象。在加載Singleton類時，并不加載內部類，在調用getInstance()時調用內部類，靜態實例時，

才加載靜態內部類和內部靜態實例對象。從而達到延時加載的目的。

 1 /** 2  * 懶漢式：通過靜態內部類實現方式，既實現了線程安全，又提高了效率 3  * @author Administrator 4  * 5  */ 6 public class Singleton4 { 7     private Singleton4(){ 8          9     }10     public static Singleton4 getInstance(){11         return Instance.singleton;    //當需要返回實例的時候，初始化創建靜態實例對象。12     }13     14     private static class Instance{    15         private static final Singleton4 singleton=new Singleton4();16     }17 }

方法六：Enum枚舉實現

　　在《Effective Java》中提到，從Java1.5發行版本起，只需編寫一個包含單個元素的枚舉類型，實現Singleton。

 1 /** 2  * 枚舉類型實現單例 3  * @author Administrator 4  * 5  */ 6 public class Singleton5 { 7     public enum Singleton{ 8         INSTANCE; 9         10         public void method(){11             //任意方法12         }13     }    14 15     public static void main(String[] args) {16         Singleton.INSTANCE.method();17     }18 }