JAVA设计模式之单例模式

本文继续介绍23种设计模式系列之单例模式。

概念：
　　java中单例模式是一种常见的设计模式，单例模式的写法有好几种，这里主要介绍三种：懒汉式单例、饿汉式单例、登记式单例。
　　单例模式有以下特点：
　　1、单例类只能有一个实例。
　　2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
　　3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
　　单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。

一、懒汉式单例

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己 
public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static Singleton single=null;
    //静态工厂方法 
    public static Singleton getInstance() {
         if (single == null) {  
             single = new Singleton();
         }  
        return single;
    }
}

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。

（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且掩耳盗铃地认为反射机制不存在。）

但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，它是线程不安全的，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，有以下三种方式，都是对getInstance这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全，如果你第一次接触单例模式，对线程安全不是很了解，可以先跳过下面这三小条，去看饿汉式单例，等看完后面再回头考虑线程安全的问题：

1、在getInstance方法上加同步

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

2、双重检查锁定

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

3、静态内部类

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

这种比上面1、2都好一些，既实现了线程安全，又避免了同步带来的性能影响。

二、饿汉式单例

//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化 
public class Singleton1 {
    private Singleton1() {}
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();
    //静态工厂方法 
    public static Singleton1 getInstance() {
        return single;
    }
}

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

三、登记式单例(可忽略)

//类似Spring里面的方法，将类名注册，下次从里面直接获取。
public class Singleton3 {
    private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();
    static{
        Singleton3 single = new Singleton3();
        map.put(single.getClass().getName(), single);
    }
    //保护的默认构造子
    protected Singleton3(){}
    //静态工厂方法,返还此类惟一的实例
    public static Singleton3 getInstance(String name) {
        if(name == null) {
            name = Singleton3.class.getName();
            System.out.println("name == null"+"--->name="+name);
        }
        if(map.get(name) == null) {
            try {
                map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance());
            } catch (InstantiationException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return map.get(name);
    }
    //一个示意性的商业方法
    public String about() {    
        return "Hello, I am RegSingleton.";    
    }    
    public static void main(String[] args) {
        Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);
        System.out.println(single3.about());
    }
}

登记式单例实际上维护了一组单例类的实例，将这些实例存放在一个Map（登记薄）中，对于已经登记过的实例，则从Map直接返回，对于没有登记的，则先登记，然后返回。

这里我对登记式单例标记了可忽略，我的理解来说，首先它用的比较少，另外其实内部实现还是用的饿汉式单例，因为其中的static方法块，它的单例在类被装载的时候就被实例化了。

饿汉式和懒汉式区别

从名字上来说，饿汉和懒汉，

饿汉就是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了，

而懒汉比较懒，只有当调用getInstance的时候，才回去初始化这个单例。

另外从以下两点再区分以下这两种方式：

1、线程安全：

饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题，

懒汉式本身是非线程安全的，为了实现线程安全有几种写法，分别是上面的1、2、3，这三种实现在资源加载和性能方面有些区别。

2、资源加载和性能：

饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成，

而懒汉式顾名思义，会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。

至于1、2、3这三种实现又有些区别，

第1种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟99%的情况下是不需要同步的，

第2种，在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗

第3种，利用了classloader的机制来保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，所以一般我倾向于使用这一种。

什么是线程安全？

如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。

或者说：一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作，或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题，那就是线程安全的。

应用

以下是一个单例类使用的例子，以懒汉式为例，这里为了保证线程安全，使用了双重检查锁定的方式：

public class TestSingleton {
	String name = null;

        private TestSingleton() {
	}

	private static volatile TestSingleton instance = null;

	public static TestSingleton getInstance() {
           if (instance == null) {  
             synchronized (TestSingleton.class) {  
                if (instance == null) {  
                   instance = new TestSingleton(); 
                }  
             }  
           } 
           return instance;
	}

	public String getName() {
		return name;
	}

	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}

	public void printInfo() {
		System.out.println("the name is " + name);
	}

}

可以看到里面加了volatile关键字来声明单例对象，既然synchronized已经起到了多线程下原子性、有序性、可见性的作用，为什么还要加volatile呢，原因已经在下面评论中提到，

还有疑问可参考http://www.iteye.com/topic/652440
和http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/DoubleCheckedLocking.html

public class TMain {
	public static void main(String[] args){
		TestStream ts1 = TestSingleton.getInstance();
		ts1.setName("jason");
		TestStream ts2 = TestSingleton.getInstance();
		ts2.setName("0539");
		
		ts1.printInfo();
		ts2.printInfo();
		
		if(ts1 == ts2){
			System.out.println("创建的是同一个实例");
		}else{
			System.out.println("创建的不是同一个实例");
		}
	}
}

运行结果：