《漫谈设计模式》

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申明：关于4.2.3章节的纰漏，请参见博文[置顶] 关于漫谈设计模式4.2.3章节的一点申明，对造成的不便深表歉意。

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                                                                                 第3章             单例（Singleton）模式
3.1           概述
如果要保证系统里一个类最多只能存在一个实例时，我们就需要单例模式。这种情况在我们应用中经常碰到，例如缓存池，数据库连接池，线程池，一些应用服务实例等。在多线程环境中，为了保证实例的唯一性其实并不简单，这章将和读者一起探讨如何实现单例模式。
3.2           最简单的单例
为了限制该类的对象被随意地创建，我们保证该类构造方法是私有的，这样外部类就无法创建该类型的对象了；另外，为了给客户对象提供对此单例对象的使用，我们为它提供一个全局访问点，代码如下所示：
public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    //other fields…

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
  
    //other methods…
}
代码注解：
l      Singleton类的只有一个构造方法，它是被private修饰的，客户对象无法创建该类实例。
l      我们为此单例实现的全局访问点是public static Singleton getInstance()方法，注意，instance变量是私有的，外界无法访问的。
读者还可以定义instance变量是public的，这样把属性直接暴露给其他对象，就没必要实现public static Singleton getInstance()方法，但是可读性没有方法来的直接，而且把该实例变量的名字直接暴露给客户程序，增加了代码的耦合度，如果改变此变量名称，会引起客户类的改变。

还有一点，如果该实例需要比较复杂的初始化过程时，把这个过程应该写在static{…}代码块中。
l      此实现是线程安全的，当多个线程同时去访问该类的getInstance()方法时，不会初始化多个不同的对象，这是因为，JVM（Java Virtual Machine）在加载此类时，对于static属性的初始化只能由一个线程执行且仅一次[1]。
由于此单例提供了静态的公有方法，那么客户使用单例模式的代码也就非常简单了，如下所示：
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
3.3           进阶
3.3.1           延迟创建
如果出于性能等的考虑，我们希望延迟实例化单例对象（Static属性在加载类是就会被初始化），只有在第一次使用该类的实例时才去实例化，我们应该怎么办呢？

这个其实并不难做到，我们把单例的实例化过程移至getInstance()方法，而不在加载类时预先创建。当访问此方法时，首先判断该实例是不是已经被实例化过了，如果已被初始化，则直接返回这个对象的引用；否则，创建这个实例并初始化，最后返回这个对象引用。代码片段如下所示：
public class UnThreadSafeSingelton {
    //variables and constructors…

    public static UnThreadSafeSingelton getInstance() {
        if(instatnce ==null){
          instatnce = new UnThreadSafeSingelton();
        }
        return instatnce;
    }
}
我们使用这句if(instatnce ==null) 判断是否实例化完成了。此方法不是线程安全的，接下来我们将会讨论。
3.3.2           线程安全
上节我们创建了可延迟初始化的单例，然而不幸的是，在高并发的环境中，getInstance()方法返回了多个指向不同的该类实例，究竟是什么原因呢？我们针对此方法，给出两个线程并发访问getInstance()方法时的一种情况，如下所示：
    t1                                                                           t2
1   if(instatnce ==null)   
2                                                                      if(instatnce ==null)
3   instatnce = new UnThreadSafeSingelton();   
4   return instatnce;     
5                                                                            instatnce = new UnThreadSafeSingelton()
6                                                                            return instatnce;


如果这两个线程按照上述步骤执行，不难发现，在时刻1和2，由于还没有创建单例对象，Thread1和Thread2都会进入创建单例实例的代码块分别创建实例。在时刻3，Thread1创建了一个实例对象，但是Thread2此时已无法知道，继续创建一个新的实例对象，于是这两个线程持有的实例并非为同一个。更为糟糕的是，在没有自动内存回收机制的语言平台上运行这样的单例模式，例如使用C++编写此模式，因为我们认为创建了一个单例实例，忽略了其他线程所产生的对象，不会手动去回收它们，引起了内存泄露。

为了解决这个问题，我们给此方法添加synchronized关键字，代码如下：
public class ThreadSafeSingelton {
    //variables and constructors…

    public static synchronized ThreadSafeSingelton getInstance() {
        if(instatnce ==null){
            instatnce = new ThreadSafeSingelton();
        }
        return instatnce;
    }
}
这样，再多的线程访问都只会实例化一个单例对象。
3.3.3           Double-Check Locking
上述途径虽然实现了多线程的安全访问，但是在多线程高并发访问的情况下，给此方法加上synchronized关键字会使得性能大不如前。我们仔细分析一下不难发现，使用了synchronized关键字对整个getInstance()方法进行同步是没有必要的：我们只要保证实例化这个对象的那段逻辑被一个线程执行就可以了，而返回引用的那段代码是没有必要同步的。按照这个想法，我们的代码片段大致如下所示：
public class DoubleCheckSingleton {
    private volatile static DoubleCheckSingleton instatnce = null;

    //constructors

    public static DoubleCheckSingleton getInstance() {
        if (instatnce == null) {   //check if it is created.
            synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {  //synchronize creation block
                if (instatnce == null)   //double check if it is created
                    instatnce = new DoubleCheckSingleton();
            }
        }
        return instatnce;
    }
}
代码注解：
l      在getInstance()方法里，我们首先判断此实例是否已经被创建了，如果还没有创建，首先使用synchronized同步实例化代码块。在同步代码块里，我们还需要再次检查是否已经创建了此类的实例，这是因为：如果没有第二次检查，这时有两个线程Thread A和Thread B同时进入该方法，它们都检测到instatnce为null，不管哪一个线程先占据同步锁创建实例对象，都不会阻止另外一个线程继续进入实例化代码块重新创建实例对象，这样，同样会生成两个实例对象。所以，我们在同步的代码块里，进行第二次判断判断该对象是否已被创建。

正是由于使用了两次的检查，我们称之为double-checked locking模式。
l      属性instatnce是被volatile修饰的，因为volatile具有synchronized的可见性特点，也就是说线程能够自动发现volatile变量的最新值。这样，如果instatnce实例化成功，其他线程便能立即发现。
注意：
此程序只有在JAVA 5及以上版本才能正常运行，在以前版本不能保证其正常运行。这是由于Java平台的内存模式容许out-of-order writes引起的，假定有两个线程，Thread 1和Thread 2，它们执行以下步骤：
1.     Thread 1发现instatnce没有被实例化，它获得锁并去实例化此对象，JVM容许在没有完全实例化完成时，instance变量就指向此实例，因为这些步骤可以是out-of-order writes的，此时instance==null为false，之前的版本即使用volatile关键字修饰也无效。
2.     在初始化完成之前，Thread 2进入此方法，发现instance已经不为null了，Thread 2便认为该实例初始化完成了，使用这个未完全初始化的实例对象，则很可能引起系统的崩溃。
3.3.4           Initialization on demand holder
要使用线程安全的延迟的单例初始化，我们还有一种方法，称为Initialization on demand holder模式，代码如下所示：
public class LazyLoadedSingleton {
    private LazyLoadedSingleton() {
       }

       private static class LazyHolder {  //holds the singleton class
              private static final LazyLoadedSingleton singletonInstatnce = new LazyLoadedSingleton();
       }

       public static LazyLoadedSingleton getInstance() {
              return LazyHolder.singletonInstatnce;
       }
}
当JVM加载LazyLoadedSingleton类时，由于该类没有static属性，所以加载完成后便即可返回。只有第一次调用getInstance()方法时，JVM才会加载LazyHolder类，由于它包含一个static属性singletonInstatnce，所以会首先初始化这个变量，根据前面的介绍，我们知道此过程并不会出现并发问题（JLS保证），这样即实现了一个既线程安全又支持延迟加载的单例模式。
3.3.5           Singleton的序列化
如果单例类实现了Serializable接口，这时我们得特别注意，因为我们知道在默认情况下，每次反序列化（Desierialization）总会创建一个新的实例对象，这样一个系统会出现多个对象供使用。我们应该怎么办呢？

熟悉Java序列化的读者可能知道，我们需要在readResolve()方法里做文章，此方法在反序列化完成之前被执行，我们在此方法里替换掉反序列化出来的那个新的实例，让其指向内存中的那个单例对象即可，代码实现如下：
import java.io.Serializable;

public class SerialibleSingleton implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -6099617126325157499L;
    static SerialibleSingleton singleton = new SerialibleSingleton();

    private SerialibleSingleton() {
    }

    // This method is called immediately after an object of this class is deserialized.
    // This method returns the singleton instance.
    private Object readResolve() {
        return singleton;
    }
}
方法readResolve()直接返回singleton单例，这样，我们在内存中始终保持了一个唯一的单例对象。
3.4           总结
通过这一章的学习，我相信大家对于基本的单例模式已经有了一个比较充分的认识。其实我们这章讨论的是在同一个JVM中，如何保证一个类只有一个单例，如果在分布式环境中，我们可能需要考虑如何保证在整个应用（可能分布在不同JVM上）只有一个实例，但这也超出本书范畴，在这里将不再做深入研究，有兴趣的读者可以查阅相关资料深入研究。


________________________________________
[1] Static属性和Static初始化块（Static Initializers）的初始化过程是串行的，这个由JLS（Java Language Specification）保证，参见James Gosling, Bill Joy, Guy Steele and Gilad Bracha编写的《 The Java™ Language Specification Third Edition》一书的12.4一节。