漫談設計模式-技術要點詳解
第3章 單例(Singleton)模式
3.1 概述
如果要保證系統里一個類最多只能存在一個實例時，我們就需要單例模式。這種情況在我們應用中經常碰到，例如緩存池，數據庫連接池，線程池，一些應用服務實例等。在多線程環境中，為了保證實例的唯一性其實并不簡單，這章將和讀者一起探討如何實現單例模式。
3.2 最簡單的單例
為了限制該類的對象被隨意地創建，我們保證該類構造方法是私有的，這樣外部類就無法創建該類型的對象了;另外，為了給客戶對象提供對此單例對象的使用，我們為它提供一個全局訪問點，代碼如下所示：
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- //other fields…
- private Singleton() {
- }
- public static Singleton getInstance() {
- return instance;
- }
- //other methods…
- }
代碼注解：
l Singleton類的只有一個構造方法，它是被private修飾的，客戶對象無法創建該類實例。
l 我們為此單例實現的全局訪問點是public static Singleton getInstance()方法，注意，instance變量是私有的，外界無法訪問的。
讀者還可以定義instance變量是public的，這樣把屬性直接暴露給其他對象，就沒必要實現public static Singleton getInstance()方法，但是可讀性沒有方法來的直接，而且把該實例變量的名字直接暴露給客戶程序，增加了代碼的耦合度，如果改變此變量名稱，會引起客戶類的改變。
還有一點，如果該實例需要比較復雜的初始化過程時，把這個過程應該寫在static{…}代碼塊中。
l 此實現是線程安全的，當多個線程同時去訪問該類的getInstance()方法時，不會初始化多個不同的對象，這是因為，JVM(Java Virtual Machine)在加載此類時，對于static屬性的初始化只能由一個線程執行且僅一次[1]。
由于此單例提供了靜態的公有方法，那么客戶使用單例模式的代碼也就非常簡單了，如下所示：
Singleton singleton = Singleton.getInstance();
3.3 進階
3.3.1 延遲創建
如果出于性能等的考慮，我們希望延遲實例化單例對象(Static屬性在加載類是就會被初始化)，只有在第一次使用該類的實例時才去實例化，我們應該怎么辦呢?
這個其實并不難做到，我們把單例的實例化過程移至getInstance()方法，而不在加載類時預先創建。當訪問此方法時，首先判斷該實例是不是已經被實例化過了，如果已被初始化，則直接返回這個對象的引用;否則，創建這個實例并初始化，最后返回這個對象引用。代碼片段如下所示：
- public class UnThreadSafeSingelton {
- //variables and constructors…
- public static UnThreadSafeSingelton getInstance() {
- if(instatnce ==null){
- instatnce = new UnThreadSafeSingelton();
- }
- return instatnce;
- }
- }
我們使用這句if(instatnce ==null) 判斷是否實例化完成了。此方法不是線程安全的，接下來我們將會討論。
3.3.2 線程安全
上節我們創建了可延遲初始化的單例，然而不幸的是，在高并發的環境中，getInstance()方法返回了多個指向不同的該類實例，究竟是什么原因呢?我們針對此方法，給出兩個線程并發訪問getInstance()方法時的一種情況，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;
如果這兩個線程按照上述步驟執行，不難發現，在時刻1和2，由于還沒有創建單例對象，Thread1和Thread2都會進入創建單例實例的代碼塊分別創建實例。在時刻3，Thread1創建了一個實例對象，但是Thread2此時已無法知道，繼續創建一個新的實例對象，于是這兩個線程持有的實例并非為同一個。更為糟糕的是，在沒有自動內存回收機制的語言平臺上運行這樣的單例模式，例如使用C++編寫此模式，因為我們認為創建了一個單例實例，忽略了其他線程所產生的對象，不會手動去回收它們，引起了內存泄露。
為了解決這個問題，我們給此方法添加synchronized關鍵字，代碼如下：
- public class ThreadSafeSingelton {
- //variables and constructors…
- public static synchronized ThreadSafeSingelton getInstance() {
- if(instatnce ==null){
- instatnce = new ThreadSafeSingelton();
- }
- return instatnce;
- }
- }
這樣，再多的線程訪問都只會實例化一個單例對象。
3.3.3 Double-Check Locking
上述途徑雖然實現了多線程的安全訪問，但是在多線程高并發訪問的情況下，給此方法加上synchronized關鍵字會使得性能大不如前。我們仔細分析一下不難發現，使用了synchronized關鍵字對整個getInstance()方法進行同步是沒有必要的：我們只要保證實例化這個對象的那段邏輯被一個線程執行就可以了，而返回引用的那段代碼是沒有必要同步的。按照這個想法，我們的代碼片段大致如下所示：
- 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;
- }
- }
代碼注解：
l 在getInstance()方法里，我們首先判斷此實例是否已經被創建了，如果還沒有創建，首先使用synchronized同步實例化代碼塊。在同步代碼塊里，我們還需要再次檢查是否已經創建了此類的實例，這是因為：如果沒有第二次檢查，這時有兩個線程Thread A和Thread B同時進入該方法，它們都檢測到instatnce為null，不管哪一個線程先占據同步鎖創建實例對象，都不會阻止另外一個線程繼續進入實例化代碼塊重新創建實例對象，這樣，同樣會生成兩個實例對象。所以，我們在同步的代碼塊里，進行第二次判斷判斷該對象是否已被創建。
正是由于使用了兩次的檢查，我們稱之為double-checked locking模式。
l 屬性instatnce是被volatile修飾的，因為volatile具有synchronized的可見性特點，也就是說線程能夠自動發現volatile變量的最新值。這樣，如果instatnce實例化成功，其他線程便能立即發現。
注意：
此程序只有在JAVA 5及以上版本才能正常運行，在以前版本不能保證其正常運行。這是由于Java平臺的內存模式容許out-of-order writes引起的，假定有兩個線程，Thread 1和Thread 2，它們執行以下步驟：
1. Thread 1發現instatnce沒有被實例化，它獲得鎖并去實例化此對象，JVM容許在沒有完全實例化完成時，instance變量就指向此實例，因為這些步驟可以是out-of-order writes的，此時instance==null為false，之前的版本即使用volatile關鍵字修飾也無效。
2. 在初始化完成之前，Thread 2進入此方法，發現instance已經不為null了，Thread 2便認為該實例初始化完成了，使用這個未完全初始化的實例對象，則很可能引起系統的崩潰。
3.3.4 Initialization on demand holder
要使用線程安全的延遲的單例初始化，我們還有一種方法，稱為Initialization on demand holder模式，代碼如下所示：
- 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;
- }
- }
當JVM加載LazyLoadedSingleton類時，由于該類沒有static屬性，所以加載完成后便即可返回。只有第一次調用getInstance()方法時，JVM才會加載LazyHolder類，由于它包含一個static屬性singletonInstatnce，所以會首先初始化這個變量，根據前面的介紹，我們知道此過程并不會出現并發問題(JLS保證)，這樣即實現了一個既線程安全又支持延遲加載的單例模式。
3.3.5 Singleton的序列化
如果單例類實現了Serializable接口，這時我們得特別注意，因為我們知道在默認情況下，每次反序列化(Desierialization)總會創建一個新的實例對象，這樣一個系統會出現多個對象供使用。我們應該怎么辦呢?
熟悉Java序列化的讀者可能知道，我們需要在readResolve()方法里做文章，此方法在反序列化完成之前被執行，我們在此方法里替換掉反序列化出來的那個新的實例，讓其指向內存中的那個單例對象即可，代碼實現如下：
- 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單例，這樣，我們在內存中始終保持了一個唯一的單例對象。
3.4 總結
通過這一章的學習，我相信大家對于基本的單例模式已經有了一個比較充分的認識。其實我們這章討論的是在同一個JVM中，如何保證一個類只有一個單例，如果在分布式環境中，我們可能需要考慮如何保證在整個應用(可能分布在不同JVM上)只有一個實例，但這也超出本書范疇，在這里將不再做深入研究，有興趣的讀者可以查閱相關資料深入研究。
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[1] Static屬性和Static初始化塊(Static Initializers)的初始化過程是串行的，這個由JLS(Java Language Specification)保證，參見James Gosling, Bill Joy, Guy Steele and Gilad Bracha編寫的《 The Java™ Language Specification Third Edition》一書的12.4一節。
原文鏈接：http://redhat.iteye.com/blog/1007884
