设计模式 -- Singleton（单例模式）

标签：Singleton -- private uniqueInstance 实例线程 static 设计模式

单例模式(Singleton)

保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点。

在软件系统中，经常有这样一个特殊的类，必须保证它们在系统中只存在一个示例，才能确保他们的逻辑正确性、以及良好的效率。
这应该是类设计者的责任，而不是使用者的责任。

懒汉式（线程不安全）

public class Singleton {
     private static Singleton uniqueInstance;

     private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

说明：先不创建实例，当第一次被调用时，再创建实例，所以被称为懒汉式。
优点：延迟了实例化，如果不需要使用该类，就不会被实例化，节约了系统资源。
缺点：线程不安全，多线程环境下，如果多个线程同时进入了 if (uniqueInstance == null) ，若此时还未实例化，也就是uniqueInstance == null，那么就会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 就会实例化多个实例。

饿汉式（线程安全）

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return uniqueInstance;
    }

}

说明：先不管需不需要使用这个实例，直接先实例化好实例 (饿死鬼一样，所以称为饿汉式)，然后当需要使用的时候，直接调方法就可以使用了。
优点：提前实例化好了一个实例，避免了线程不安全问题的出现。
缺点：直接实例化好了实例，不再延迟实例化；若系统没有使用这个实例，或者系统运行很久之后才需要使用这个实例，会造成操作系统的资源浪费。

懒汉式（线程安全）

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;

    private static singleton() {
    }

    private static synchronized Singleton getUinqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

说明：实现和线程不安全的懒汉式几乎一样，唯一不同的点是，在get方法上加了一把锁。如此一来，多个线程访问，每次只有拿到锁的的线程能够进入该方法，避免了多线程不安全问题的出现。
优点：延迟实例化，节约了资源，并且是线程安全的。
缺点：虽然解决了线程安全问题，但是性能降低了。因为，即使实例已经实例化了，既后续不会再出现线程安全问题了，但是锁还在，每次还是只能拿到锁的线程进入该方法使线程阻塞，等待时间过长。

双重检查锁实现（线程安全）

public class Singleton {

    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

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

说明: 双重检查数相当于是改进了线程安全的懒汉式。线程安全的懒汉式的缺点是性能降低了，造成的原因是因为即使实例已经实例化，依然每次都会有锁。而现在，我们将锁的位置变了，并且多加了一个检查。也就是，先判断实例是否已经存在，若已经存在了，则不会执行判断方法内的有锁方法了。而如果，还没有实例化的时候，多个线程进去了，也没有事，因为里面的方法有锁，只会让一个线程进入最内层方法并实例化实例。如此一来，最多最多，也就是第一次实例化的时候，会有线程阻塞的情况，后续便不会再有线程阻塞的问题。

为什么使用 volatile 关键字修饰了 uniqueInstance 实例变量？

uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码执行时分为三步：

为 uniqueInstance 分配内存空间
初始化 uniqueInstance
将 uniqueInstance 指向分配的内存地址
正常的执行顺序当然是 1>2>3 ，但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。
单线程环境时，指令重排并没有什么问题；多线程环境时，会导致有些线程可能会获取到还没初始化的实例。
例如：线程A 只执行了 1 和 3 ，此时线程B来调用 getUniqueInstance()，发现 uniqueInstance 不为空，便获取 uniqueInstance 实例，但是其实此时的 uniqueInstance 还没有初始化。

解决办法就是加一个 volatile 关键字修饰 uniqueInstance ，volatile 会禁止 JVM 的指令重排，就可以保证多线程环境下的安全运行。

优点：延迟实例化，节约了资源；线程安全；并且相对于线程安全的懒汉式，性能提高了。

缺点： volatile 关键字，对性能也有一些影响。

静态内部类实现（线程安全）

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

说明：首先，当外部类 Singleton 被加载时，静态内部类 SingletonHolder 并没有被加载进内存。当调用 getUniqueInstance() 方法时，会运行 return SingletonHolder.INSTANCE; ，触发了 SingletonHolder.INSTANCE ，此时静态内部类 SingletonHolder 才会被加载进内存，并且初始化 INSTANCE 实例，而且 JVM 会确保 INSTANCE 只被实例化一次。
优点：延迟实例化，节约了资源；且线程安全；性能也提高了。

总结

Singleton模式中的实例构造器可以设置为protected，以允许子类派生
Singleton模式一般不要支持Clone接口，因为有可能会导致多个对象实例，与Singleton模式的初衷相违背。
如何实现多线程环境下安全的Singleton？注意对双检查锁的正确实现。

使用场景总结：

频繁实例化然后又销毁的对象，使用单例模式可以提高性能。
经常使用的对象，但实例化时耗费时间或者资源多，如数据库连接池，使用单例模式，可以提高性能，降低资源损坏。
使用线程池之类的控制资源时，使用单例模式，可以方便资源之间的通信。

标签：Singleton,--,private,uniqueInstance,实例,线程,static,设计模式
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