java設計模式之單例模式（幾種寫法及比較）

概念： Java中單例模式是一種常見的設計模式，單例模式的寫法有好幾種，這裡主要介紹三種：懶漢式單例、餓漢式單例、登記式單例。單例模式有以下特點： 1、單例類只能有一個實例。 2、單例類必須自己創建自己的唯一實例。 3、單例類必須給所有其他對象提供這一實例。單例模式確保某個類只有一個實例，而且自 ...

概念：
　　Java中單例模式是一種常見的設計模式，單例模式的寫法有好幾種，這裡主要介紹三種：懶漢式單例、餓漢式單例、登記式單例。
　　單例模式有以下特點：
　　1、單例類只能有一個實例。
　　2、單例類必須自己創建自己的唯一實例。
　　3、單例類必須給所有其他對象提供這一實例。
　　單例模式確保某個類只有一個實例，而且自行實例化並向整個系統提供這個實例。在電腦系統中，線程池、緩存、日誌對象、對話框、印表機、顯卡的驅動程式對象常被設計成單例。這些應用都或多或少具有資源管理器的功能。每台電腦可以有若幹個印表機，但只能有一個Printer Spooler，以避免兩個列印作業同時輸出到印表機中。每台電腦可以有若幹通信埠，系統應當集中管理這些通信埠，以避免一個通信埠同時被兩個請求同時調用。總之，選擇單例模式就是為了避免不一致狀態，避免政出多頭。

一、懶漢式單例

    //懶漢式單例類.在第一次調用的時候實例化自己   
    public class Singleton {  
        private Singleton() {}  
        private static Singleton single=null;  
        //靜態工廠方法   
        public static Singleton getInstance() {  
             if (single == null) {    
                 single = new Singleton();  
             }    
            return single;  
        }  
    }

Singleton通過將構造方法限定為private避免了類在外部被實例化，在同一個虛擬機範圍內，Singleton的唯一實例只能通過getInstance()方法訪問。

（事實上，通過Java反射機制是能夠實例化構造方法為private的類的，那基本上會使所有的Java單例實現失效。此問題在此處不做討論，姑且掩耳盜鈴地認為反射機制不存在。）

但是以上懶漢式單例的實現沒有考慮線程安全問題，它是線程不安全的，併發環境下很可能出現多個Singleton實例，要實現線程安全，有以下三種方式，都是對getInstance這個方法改造，保證了懶漢式單例的線程安全，如果你第一次接觸單例模式，對線程安全不是很瞭解，可以先跳過下麵這三小條，去看餓漢式單例，等看完後面再回頭考慮線程安全的問題：

1、在getInstance方法上加同步

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

2、雙重檢查鎖定

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

3、靜態內部類

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

這種比上面1、2都好一些，既實現了線程安全，又避免了同步帶來的性能影響。

二、餓漢式單例

 //餓漢式單例類.在類初始化時，已經自行實例化   
public class Singleton1 {  
    private Singleton1() {}  
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();  
    //靜態工廠方法   
    public static Singleton1 getInstance() {  
        return single;  
    }  
}

餓漢式在類創建的同時就已經創建好一個靜態的對象供系統使用，以後不再改變，所以天生是線程安全的。

三、登記式單例(可忽略)

 //類似Spring裡面的方法，將類名註冊，下次從裡面直接獲取。  
public class Singleton3 {  
    private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();  
    static{  
        Singleton3 single = new Singleton3();  
        map.put(single.getClass().getName(), single);  
    }  
    //保護的預設構造子  
    protected Singleton3(){}  
    //靜態工廠方法,返還此類惟一的實例  
    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);  
    }  
    //一個示意性的商業方法  
    public String about() {      
        return "Hello, I am RegSingleton.";      
    }      
    public static void main(String[] args) {  
        Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);  
        System.out.println(single3.about());  
    }  
}

登記式單例實際上維護了一組單例類的實例，將這些實例存放在一個Map（登記薄）中，對於已經登記過的實例，則從Map直接返回，對於沒有登記的，則先登記，然後返回。

這裡我對登記式單例標記了可忽略，我的理解來說，首先它用的比較少，另外其實內部實現還是用的餓漢式單例，因為其中的static方法塊，它的單例在類被裝載的時候就被實例化了。

餓漢式和懶漢式區別

從名字上來說，餓漢和懶漢，

餓漢就是類一旦載入，就把單例初始化完成，保證getInstance的時候，單例是已經存在的了，

而懶漢比較懶，只有當調用getInstance的時候，才回去初始化這個單例。

另外從以下兩點再區分以下這兩種方式：

1、線程安全：

餓漢式天生就是線程安全的，可以直接用於多線程而不會出現問題，

懶漢式本身是非線程安全的，為了實現線程安全有幾種寫法，分別是上面的1、2、3，這三種實現在資源載入和性能方面有些區別。

2、資源載入和性能：

餓漢式在類創建的同時就實例化一個靜態對象出來，不管之後會不會使用這個單例，都會占據一定的記憶體，但是相應的，在第一次調用時速度也會更快，因為其資源已經初始化完成，

而懶漢式顧名思義，會延遲載入，在第一次使用該單例的時候才會實例化對象出來，第一次調用時要做初始化，如果要做的工作比較多，性能上會有些延遲，之後就和餓漢式一樣了。

至於1、2、3這三種實現又有些區別，

第1種，在方法調用上加了同步，雖然線程安全了，但是每次都要同步，會影響性能，畢竟99%的情況下是不需要同步的，

第2種，在getInstance中做了兩次null檢查，確保了只有第一次調用單例的時候才會做同步，這樣也是線程安全的，同時避免了每次都同步的性能損耗

第3種，利用了classloader的機制來保證初始化instance時只有一個線程，所以也是線程安全的，同時沒有性能損耗，所以一般我傾向於使用這一種。

什麼是線程安全？

如果你的代碼所在的進程中有多個線程在同時運行，而這些線程可能會同時運行這段代碼。如果每次運行結果和單線程運行的結果是一樣的，而且其他的變數的值也和預期的是一樣的，就是線程安全的。

或者說：一個類或者程式所提供的介面對於線程來說是原子操作，或者多個線程之間的切換不會導致該介面的執行結果存在二義性,也就是說我們不用考慮同步的問題，那就是線程安全的。

應用

以下是一個單例類使用的例子，以懶漢式為例，這裡為了保證線程安全，使用了雙重檢查鎖定的方式：

 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 (singleton == null) {    
                   singleton = 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);  
    }  
  
}

可以看到裡面加了volatile關鍵字來聲明單例對象，既然synchronized已經起到了多線程下原子性、有序性、可見性的作用，為什麼還要加volatile呢，原因已經在下麵評論中提到，

還有疑問可參考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("創建的是同一個實例");  
            }else{  
                System.out.println("創建的不是同一個實例");  
            }  
        }  
    }

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