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單例模式

單例模式（Singleton），目的是為了保證在一個程序中，某個類有且僅有一個範例。

由於這個類只有一個範例，所以不能讓呼叫方使用new Xxx()來建立範例。所以，單例的構造方法必須是private，這樣就防止了呼叫方自己建立範例。

單例模式的實現需要三個必要的條件：

單例類的建構函式必須是私有的，這樣才能將類的建立權控制在類的內部，從而使得類的外部不能建立類的範例。
單例類通過一個私有的靜態變數來儲存其唯一範例。
單例類通過提供一個公開的靜態方法，使得外部使用者可以存取類的唯一範例。

另外，實現單例類時，還需要考慮三個問題：

建立單例物件時，是否執行緒安全。
單例物件的建立，是否延時載入。
獲取單例物件時，是否需要加鎖。

下面介紹幾種實現單例模式的方式。

餓漢模式

JVM在類的初始化階段，會執行類的靜態方法。在執行類的初始化期間，JVM會去獲取Class物件的鎖。這個鎖可以同步多個執行緒對同一個類的初始化。

餓漢模式只在類載入的時候建立一次範例，沒有多執行緒同步的問題。單例沒有用到也會被建立，而且在類載入之後就被建立，記憶體就被浪費了。

public class Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton() {}  
    public static Singleton newInstance() {
        return instance;  
    }  
}

餓漢式單例的優點：

單例物件的建立是執行緒安全的；
獲取單例物件時不需要加鎖。

餓漢式單例的缺點：單例物件的建立，不是延時載入。

懶漢式

與餓漢式思想不同，懶漢式支援延時載入，將物件的建立延遲到了獲取物件的時候。不過為了執行緒安全，在獲取物件的操作需要加鎖，這就導致了低效能。

public class Singleton { 
  private static final Singleton instance;
  
  private Singleton () {}
  
  public static synchronized Singleton getInstance() {    
    if (instance == null) {      
      instance = new Singleton();    
    }    

    return instance;  
  }
}

上述程式碼加的鎖只有在第一次建立物件時有用，而之後每次獲取物件，其實是不需要加鎖的（雙重檢查鎖定優化了這個問題）。

懶漢式單例優點：

物件的建立是執行緒安全的。
支援延時載入。

懶漢式單例缺點：

獲取物件的操作被加上了鎖，影響了並行效能。

雙重檢查鎖定

雙重檢查鎖定將懶漢式中的 synchronized 方法改成了 synchronized 程式碼塊。如下：

public class Singleton {  
    private static volatile Singleton instance = null;  //volatile
    private Singleton(){}  
    public static Singleton getInstance() {  
        if (instance == null) {  
            synchronized (Singleton.class) {  
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return instance;  
    }  
}

雙重校驗鎖先判斷 instance 是否已經被範例化，如果沒有被範例化，那麼才對範例化語句進行加鎖。

instance使用static修飾的原因：getInstance為靜態方法，因為靜態方法的內部不能直接使用非靜態變數，只有靜態成員才能在沒有建立物件時進行初始化，所以返回的這個範例必須是靜態的。

為什麼兩次判斷instance == null：

Time	Thread A	Thread B
T1	檢查到`instance`為空
T2		檢查到`instance`為空
T3		初始化物件`A`
T4		返回物件`A`
T5	初始化物件`B`
T6	返回物件`B`

new Singleton()會執行三個動作：分配記憶體空間、初始化物件和物件參照指向記憶體地址。

memory = allocate();　　// 1：分配物件的記憶體空間
ctorInstance(memory);　 // 2：初始化物件
instance = memory;　　  // 3：設定instance指向剛分配的記憶體地址

由於指令重排優化的存在，導致初始化物件和將物件參照指向記憶體地址的順序是不確定的。在某個執行緒建立單例物件時，會為該物件分配了記憶體空間並將物件的欄位設定為預設值。此時就可以將分配的記憶體地址賦值給instance欄位了，然而該物件可能還沒有初始化。若緊接著另外一個執行緒來呼叫getInstance，取到的是未初始化的物件，程式就會出錯。volatile 可以禁止指令重排序，保證了先初始化物件再賦值給instance變數。

Time	Thread A	Thread B
T1	檢查到`instance`為空
T2	獲取鎖
T3	再次檢查到`instance`為空
T4	為`instance`分配記憶體空間
T5	將`instance`指向記憶體空間
T6		檢查到`instance`不為空
T7		存取`instance`（此時物件還未完成初始化）
T8	初始化`instance`

雙重檢查鎖定單例優點：

物件的建立是執行緒安全的。
支援延時載入。
獲取物件時不需要加鎖。

靜態內部類

它與餓漢模式一樣，也是利用了類初始化機制，因此不存在多執行緒並行的問題。不一樣的是，它是在內部類裡面去建立物件範例。這樣的話，只要應用中不使用內部類，JVM就不會去載入這個單例類，也就不會建立單例物件，從而實現懶漢式的延遲載入。也就是說這種方式可以同時保證延遲載入和執行緒安全。

基於類初始化的方案的實現程式碼更簡潔。

public class Instance {
    private static class InstanceHolder {
        public static Instance instance = new Instance();
    }
    private Instance() {}
    public static Instance getInstance() {
        return InstanceHolder.instance ;　　// 這裡將導致InstanceHolder類被初始化
    }
}

如上述程式碼，InstanceHolder 是一個靜態內部類，當外部類 Instance 被載入的時候，並不會建立 InstanceHolder 範例物件。

只有當呼叫 getInstance() 方法時，InstanceHolder 才會被載入，這個時候才會建立 Instance。Instance 的唯一性、建立過程的執行緒安全性，都由 JVM 來保證。

靜態內部類單例優點：

物件的建立是執行緒安全的。
支援延時載入。
獲取物件時不需要加鎖。

列舉

用列舉來實現單例，是最簡單的方式。這種實現方式通過 Java 列舉型別本身的特性，保證了範例建立的執行緒安全性和範例的唯一性。

public enum Singleton {
  INSTANCE; // 該物件全域性唯一
}

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設計模式之單例模式

單例模式

餓漢模式

懶漢式

雙重檢查鎖定

靜態內部類

列舉