設計模式——單例模式

引言

　　今天來談談設計模式中的單例模式，溫故知新，以免生疏。

　　軟體設計領域的四位世界級大師Gang Of Four (GoF)：Erich Gamma，Richard Helm，Ralph Johnson，John Vlissides四人合著了《Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software》一書，（中文譯名：《設計模式:可複用物件導向軟體的基礎》）。該書首次提到了軟體開發中設計模式的概念，對物件導向軟體設計產生了巨大影響。

建立型模式

　　單例模式屬於建立型模式，那麼這裡就要簡述一下建立型模式。顧名思義，就是建立物件的設計模式。頻繁地使用基本物件建立方式（比如new操作）會使系統的耦合性變高，導致某些設計上的問題。建立型模式對類的範例化進行抽象，將物件的建立與物件的使用分離，隱藏了類的範例化過程。

單例模式的由來

　　在系統中，有一些物件其實只需要一個，例如執行緒池、快取、登入檔、紀錄檔物件、充當印表機顯示卡等裝置驅動程式的物件。同時這些類比較龐大複雜，並且這些物件完全可以複用。若建立多個範例或頻繁建立銷燬範例物件，會導致程式行為異常、資源使用過量、或者不一致性的結果，這就有了單例模式。

單例模式含義

確保一個類只有一個範例，並提供該範例的全域性存取點，後半句通俗點講，就是向整個系統提供這個範例。

類的構成

建構函式： private Singleton(){}，私有。因為一個類只能有一個範例，不可被外部再次範例化，構造方法不可能是public，只能是private。保證了不能通過構造器進行建立範例物件。
(成員)變數：private static Singleton instance，私有，靜態變數。由於類中僅有一個範例，屬於當前類的靜態變數，外部無法直接存取。
方法：public static Singleton getInstance(){}，公有，靜態方法。要向整個系統提供該單例，就要建立一個公有的靜態方法向外界提供當前類的範例。

實現方式

1. 懶漢式(執行緒不安全)

描述：這是最基本的實現方式，範例物件在第一次被呼叫的時候才會被建立，屬於懶載入，延遲建立單例。
優點：懶載入模式下，如果沒有使用到該類，那麼就不會範例化物件，節約了資源。
缺點：這種實現方式不支援多執行緒，這是最主要的問題，因為沒有加鎖 synchronized，無法實現執行緒安全。在執行if (Instance == null)時，如果多個執行緒同時進入，並且此時Instance 為 null，那麼這些執行緒就會在執行new語句，導致多次範例化物件，這是我們不希望看到的。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  //宣告靜態變數
    private Singleton (){}   //構造器
  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

2. 懶漢式(執行緒安全)

描述：範例物件在也是第一次被呼叫的時候才會被建立，屬於懶載入，通過靜態同步方法解決執行緒安全問題。
優點：懶載入，節約記憶體資源。使用同步方法，在某個時間點只能有一個執行緒能夠進入方法，避免了多次範例化的問題，因此支援多執行緒，保證了執行緒安全。
缺點：我們希望在建立範例的時間點進行加鎖同步，用靜態同步方法會使得同步的範圍太大，另外每次要建立物件都要爭搶鎖，未進入方法的執行緒必須等待，效能會有損耗，效率不高。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  
    private Singleton (){}  
    public static synchronized Singleton getInstance() {  //使用同步方法
        if (instance == null) {  
            instance = new Singleton();  
        }  
        return instance;  
    }  
}

3. 餓漢式(執行緒安全)

描述：執行緒不安全問題主要是由於Instance可被多次範例化，因此，在類載入時就直接範例化Instance就可以保證執行緒安全問題。它基於累載入機制避免了多執行緒的同步問題，不過這時候初始化instance顯然沒有達到懶載入(lazy loading)的效果。
優點：未使用同步鎖，執行效率會有所提高，執行緒安全。
缺點：直接在類載入時自動範例化物件，失去了懶載入機制下節約資源的優勢，消耗記憶體。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  //類載入時就進行範例化
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
    }  
}

注：懶漢式與餓漢式最主要的區別在於建立單例的時機不同，懶漢式根據是否需要範例，手動建立；餓漢式在類載入時自動建立單例

4. 雙重校驗鎖方式(執行緒安全)

描述：雙重校驗鎖(double-checked locking，DCL)也叫雙檢鎖，JDK1.5出現的功能。這種方式採用雙鎖機制，同時加鎖操作只需要對範例化那部分程式碼進行，只有當Instance沒有被範例化時(Instance == null) ，才需要進行加鎖。
優點：懶載入，多執行緒環境下可保證執行緒安全，效能較高。
缺點：相比前幾種方式，實現較為複雜。
雙重校驗鎖的完善過程：

由於使用懶漢式同步方法會消耗過多效能，我們只在構建範例物件的時候進行同步。在呼叫getInstance()時，存取的執行緒不需要競爭鎖，都可以直接進入。再進行下一步判斷，若此時範例物件還沒有被構建，執行緒開始競爭鎖，搶到鎖的執行緒開始建立單例。

public class Singleton {
    private static Singleton Instance;
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (Instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {  //在需要構建單例的時候給Class物件加鎖
               Instance = new Singleton();
            }
        }
        return Instance;
    }
}

問題：在多個執行緒執行判斷條件時，雖然只有一個執行緒能夠搶到鎖取建立單例，但是可能有其他執行緒已經進入了if程式碼塊，之後會再進行if判斷了，而這些執行緒等待釋放鎖後，隨即又會建立範例物件，最終範例會被多次被建立。顯然執行緒不安全。

再增加一條判斷條件，這也是雙重校驗鎖中「雙重」的由來。我們假設執行緒A搶到同步鎖，然後建立範例，建立完畢釋放鎖。這時，執行緒B搶到鎖，進行判斷範例是否被建立，發現範例instance已經被執行緒A初始化了，不可能等於null，直接退出，返回A執行緒建立的單例。

public class Singleton {
    private static Singleton Instance;
    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (Instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {  //在需要構建單例的時候給Class物件加鎖
            if (Instance == null) {          //增加了判空條件
              	  Instance = new Singleton();
            	}
            }
        }
        return Instance;
    }
}

在執行 Instance = new Singleton();時，大致可以分為三步：1）給Instance範例分配記憶體；2）初始化Instance的構造器；3）將instance物件指向分配的記憶體地址（這一步Instance就非null了）。由於JVM為了優化指令，提高程式的執行效率，允許指令重排，導致在程式實際執行的時候，順序變為1）>> 3）>> 2），這在單執行緒的情況下是沒有問題的。但是，在多執行緒的環境下，執行緒有可能拿到一個尚未被初始化的範例，程式必然報錯。使用 volatile 關鍵字可以禁止 JVM 的指令重排，保證在多執行緒環境下也能正常執行。

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton Instance;  //增加volatile關鍵字，防止JVM指令重排
    private Singleton (){}  
    
    public static Singleton getInstance() {  
    if (Instance == null) {  
        synchronized (Singleton.class) {  
            if (Instance == null) {  
                Instance = new Singleton();  
            }  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

5.靜態內部類方式

描述：這種方式能達與雙檢鎖功能相似，且實現更簡單。由於靜態內部類的載入是在程式中呼叫靜態內部類的時候載入的，和外部類的載入沒有必然關係，因此當 Singleton 類載入時，靜態內部類 SingletonHolder 並沒有被載入進記憶體。只有當呼叫 getInstance() 方法從而觸發 SingletonHolder.INSTANCE 時，SingletonHolder 才會被載入，此時初始化INSTANCE範例。實現了延遲載入。這種方式只適用於靜態域的情況，雙檢鎖方式可在範例域需要延遲初始化時使用。
優點：延時載入，按需載入，節約資源；由於JVM提供了對執行緒安全的支援，只會載入一遍，執行緒安全得到保證。
缺點：這種方式只適用於靜態域的情況。

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }
	//靜態內部類
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;    //存取靜態內部類中靜態成員
    }
}

6.列舉方式

描述：這是實現單例模式的最佳方法。這種方式是《Effective Java》作者 Joshua Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多執行緒同步問題，而且還自動支援序列化機制，防止反序列化重新建立新的物件，絕對防止多次範例化。出現反射攻擊時，通過 setAccessible() 方法可以將私有建構函式的存取級別設定為 public，然後呼叫建構函式從而範例化物件。如果要防止這種攻擊，需要在建構函式中新增防止範例化第二個物件的程式碼。解決序列化和反射攻擊很麻煩，而列舉實現不會出現這兩種問題，因此說列舉實現單例模式式最佳實踐方法。
優點：單例模式的最佳實踐，它實現簡單，並且在面對複雜的序列化或者反射攻擊的時候，不能呼叫private方法，能夠防止多次範例化，是目前最安全的實現單例的方法。
缺點：這種方式尚未被廣泛採用，實際工作中，很少會被採用。

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  //任意方法
    }  
}

結語

　　一般情況下，不建議使用兩種懶漢式實現單例模式；明確使用靜態方法和實現懶載入效果時，會採用靜態內部類方式；涉及到反序列化建立物件的時候，可以使用列舉方式；一般而言，餓漢式以及雙重校驗鎖比較常用。