設計模式（建立型模式）——單例模式（Singleton）

單例對象（Singleton）是一種經常使用的設計模式。在Java應用中，單例對象能保證在一個JVM中，該對象只有一個實例存在。這樣的模式有幾個好處：

一、某些類建立比較頻繁，對於一些大型的對象，這是一筆很大的系統開銷。

二、省去了new操做符，下降了系統內存的使用頻率，減輕GC壓力。

三、有些類如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，若是該類能夠建立多個的話，系統徹底亂了。（好比一個軍隊出現了多個司令員同時指揮，確定會亂成一團），因此只有使用單例模式，才能保證核心交易服務器獨立控制整個流程。

首先咱們寫一個簡單的單例類：

public class Singleton {  
  
    /* 持有私有靜態實例，防止被引用，此處賦值爲null，目的是實現延遲加載 */  
    private static Singleton instance = null;  
  
    /* 私有構造方法，防止被實例化 */  
    private Singleton() {  
    }  
  
    /* 靜態工程方法，建立實例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
  
    /* 若是該對象被用於序列化，能夠保證對象在序列化先後保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return instance;  
    }  
}

這個類能夠知足基本要求，可是，像這樣毫無線程安全保護的類，若是咱們把它放入多線程的環境下，確定就會出現問題了，如何解決？咱們首先會想到對getInstance方法加synchronized關鍵字，以下：

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

可是，synchronized關鍵字鎖住的是這個對象，這樣的用法，在性能上會有所降低，由於每次調用getInstance()，都要對對象上鎖，事實上，只有在第一次建立對象的時候須要加鎖，以後就不須要了，因此，這個地方須要改進。咱們改爲下面這個：

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

彷佛解決了以前提到的問題，將synchronized關鍵字加在了內部，也就是說當調用的時候是不須要加鎖的，只有在instance爲null，並建立對象的時候才須要加鎖，性能有必定的提高。可是，這樣的狀況，仍是有可能有問題的，看下面的狀況：在Java指令中建立對象和賦值操做是分開進行的，也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。可是JVM並不保證這兩個操做的前後順序，也就是說有可能JVM會爲新的Singleton實例分配空間，而後直接賦值給instance成員，而後再去初始化這個Singleton實例。這樣就可能出錯了，咱們以A、B兩個線程爲例：

a>A、B線程同時進入了第一個if判斷

b>A首先進入synchronized塊，因爲instance爲null，因此它執行instance = new Singleton();

c>因爲JVM內部的優化機制，JVM先畫出了一些分配給Singleton實例的空白內存，並賦值給instance成員（注意此時JVM沒有開始初始化這個實例），而後A離開了synchronized塊。

d>B進入synchronized塊，因爲instance此時不是null，所以它立刻離開了synchronized塊並將結果返回給調用該方法的程序。

e>此時B線程打算使用Singleton實例，卻發現它沒有被初始化，因而錯誤發生了。

因此程序仍是有可能發生錯誤，其實程序在運行過程是很複雜的，從這點咱們就能夠看出，尤爲是在寫多線程環境下的程序更有難度，有挑戰性。咱們對該程序作進一步優化：

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

實際狀況是，單例模式使用內部類來維護單例的實現，JVM內部的機制可以保證當一個類被加載的時候，這個類的加載過程是線程互斥的。這樣當咱們第一次調用getInstance的時候，JVM可以幫咱們保證instance只被建立一次，而且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢，這樣咱們就不用擔憂上面的問題。同時該方法也只會在第一次調用的時候使用互斥機制，這樣就解決了低性能問題。這樣咱們暫時總結一個完美的單例模式：

public class Singleton {  
  
    /* 私有構造方法，防止被實例化 */  
    private Singleton() {  
    }  
  
    /* 此處使用一個內部類來維護單例 */  
    private static class SingletonFactory {  
        private static Singleton instance = new Singleton();  
    }  
  
    /* 獲取實例 */  
    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonFactory.instance;  
    }  
  
    /* 若是該對象被用於序列化，能夠保證對象在序列化先後保持一致 */  
    public Object readResolve() {  
        return getInstance();  
    }  
}

其實說它完美，也不必定，若是在構造函數中拋出異常，實例將永遠得不到建立，也會出錯。因此說，十分完美的東西是沒有的，咱們只能根據實際狀況，選擇最適合本身應用場景的實現方法。也有人這樣實現：由於咱們只須要在建立類的時候進行同步，因此只要將建立和getInstance()分開，單獨爲建立加synchronized關鍵字，也是能夠的：

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

考慮性能的話，整個程序只需建立一次實例，因此性能也不會有什麼影響。

補充：採用"影子實例"的辦法爲單例對象的屬性同步更新

public class SingletonTest {  
  
    private static SingletonTest instance = null;  
    private Vector properties = null;  
  
    public Vector getProperties() {  
        return properties;  
    }  
  
    private SingletonTest() {  
    }  
  
    private static synchronized void syncInit() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new SingletonTest();  
        }  
    }  
  
    public static SingletonTest getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            syncInit();  
        }  
        return instance;  
    }  
  
    public void updateProperties() {  
        SingletonTest shadow = new SingletonTest();  
        properties = shadow.getProperties();  
    }  
}

經過單例模式的學習告訴咱們：

一、單例模式理解起來簡單，可是具體實現起來仍是有必定的難度。

二、synchronized關鍵字鎖定的是對象，在用的時候，必定要在恰當的地方使用（注意須要使用鎖的對象和過程，可能有的時候並非整個對象及整個過程都須要鎖）。

到這兒，單例模式基本已經講完了，結尾處，筆者忽然想到另外一個問題，就是採用類的靜態方法，實現單例模式的效果，也是可行的，此處兩者有什麼不一樣？

首先，靜態類不能實現接口。（從類的角度說是能夠的，可是那樣就破壞了靜態了。由於接口中不容許有static修飾的方法，因此即便實現了也是非靜態的）

其次，單例能夠被延遲初始化，靜態類通常在第一次加載是初始化。之因此延遲加載，是由於有些類比較龐大，因此延遲加載有助於提高性能。

再次，單例類能夠被繼承，他的方法能夠被覆寫。可是靜態類內部方法都是static，沒法被覆寫。

最後一點，單例類比較靈活，畢竟從實現上只是一個普通的Java類，只要知足單例的基本需求，你能夠在裏面爲所欲爲的實現一些其它功能，可是靜態類不行。從上面這些歸納中，基本能夠看出兩者的區別，可是，從另外一方面講，咱們上面最後實現的那個單例模式，內部就是用一個靜態類來實現的，因此，兩者有很大的關聯，只是咱們考慮問題的層面不一樣罷了。兩種思想的結合，才能造就出完美的解決方案，就像HashMap採用數組+鏈表來實現同樣，其實生活中不少事情都是這樣，單用不一樣的方法來處理問題，老是有優勢也有缺點，最完美的方法是，結合各個方法的優勢，才能最好的解決問題！