淺談單例設計模式的幾種實現方式

在設計模式中，最常談及的就是單例設計模式。

百度百科對於單例設計模式的設計動機是這么闡述的：

上述是一個廣義的概念，那么在具體開發中單例帶來了什么呢？

在java語言中，單例帶來了兩大好處：

1.對於頻繁使用的對象，可以省略創建對象所花費的時間，這對於那些重量級的對象而言，是非常可觀的一筆系統開銷。

2.由於new操作的次數減少，因而對系統內存的使用頻率也會降低，這將減輕GC壓力，縮短GC停頓時間。

所以對於系統的關鍵組件和被頻繁操作的對象，使用單例模式便可以有效地改善系統性能。

單例的參與者非常簡單，只有單例類和使用者兩個；

下面介紹單例設計模式在java代碼的具體實現：

單例模式的核心在於通過一個接口返回唯一的對象實例，一個簡單的單例實現如下：

public class Singleton {
    private  Singleton() {
        System.out.println("Singleton  is  create"); // 創建單例的過程可能會比較慢
    }

    private static Singleton instance = new Singleton();

    private static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

注意代碼的藍色部分，首先單例類必須要有一個private訪問級別的構造函數，只有這樣，才能確保單例不會在系統中的其他代碼內被實例化，這點是相當重要的；其次，instance成員和getInstance（）方法必須是static的。

這種單例的實現方式非常簡單，而且十分可靠，它唯一的不足僅是無法對instance實例做延遲加載，假如單例的創建過程很慢，而由於instance成員變量是static定義的，因此在JVM加載單例類時，單例對象就會被建立，如果此時，這個單例類在系統中還扮演其他角色，那么在任何使用這個單例類的地方都會初始化這個單例變量，根本就不會管是否被用到。比如單例String工廠，用於創建一些字符串（該類既用於創建單例Singleton，又用於創建String對象）。

public class Singleton {
	private Singleton() {
		System.out.println("Singleton  is  create"); // 創建單例的過程可能會比較慢
	}

	private static Singleton instance = new Singleton();

	private static Singleton getInstance() {
		return instance;
	}
	
	public static void CreateString(){       //這是模擬單例類扮演其他角色
		System.out.println("createString in Singleton");
	}
}

　　上面代碼的意思就是，假如單例類里面有getInstance以外的其它靜態方法，跟單例沒啥關系的方法，如果使用了Singleton.CreateString（）這種調用，就會自動創建Singleton這個類實例（雖然private構造已經防止了你人為去new這個單例），這是開發人員不願看到的，我運行下面代碼（此代碼調用了上面代碼的createString（）方法）進行展示：

 

 那么在這個單例基礎上進行延遲加載改良：

public class Singleton {
    private Singleton() {
        System.out.println("LazySingleton  is  create"); // 創建單例的過程可能會比較慢
    }

    private static Singleton instance = null;

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

}

此時再調用同樣的測試方法：

解決了這個問題。

 

顯而易見，這次改良主要是從JVM加載類的原理上進行改良的，上面的代碼在初始化類的時候給instance賦予null,確保系統啟動的時候沒有額外的負載，其次，在getInstance方法中加入判斷單例是否存在，不存在才new。但是getInstance()方法必須是同步的，

否則多線程環境下，可能線程1正在創建單例時，線程2判斷單例instance為空，就會創建多個實例。

 

但是上面的寫法，存在性能問題，在多線程下，它的耗時遠遠大於第一種單例。以下代碼就說明了此問題：

    @Override
        public void run(){
            for (int i = 0; i < 100000; i++) 
                Singleton.getInstance();
                System.out.println("spend:" (System.currentTimeMillis()-begintime));
            
        }

開啟五個線程同時完成以上代碼的運行，使用第一種單例耗時0ms，而使用第二種單例耗時390ms，性能至少相差兩個數量級。

為了線程安全使用了同步關鍵字反而降低了系統性能，為了解決這個問題，繼續改進：

public class Singleton {
    private Singleton() {
        System.out.println("LazySingleton  is  create"); // 創建單例的過程可能會比較慢
    }

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

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }

}

沒錯，這就是現在最完整的單例寫法，內部類實現單例，除了effctive java中闡述的枚舉單例實現，這種方法是目前最好的實現方式。

在這個實現中，用內部類來保護單例，當Singleton類被加載時，內部類不會被初始化，所以可以確保Singleton類被載入JVM時，不會初始化單例類，當getInstance方法被調用時，才會加載SingleHolder，從而初始化instance，同時，由於實例的建立是在類加載時完成的，故天生對多線程友好，getInstance（）方法也不需要使用synchronized修飾，因此，這種實現能兼顧前兩種寫法的優點（延遲加載，非同步）。

 最后，在極端情況下，序列化和反序列化可能會破壞單例，一般來說不多見，如果存在就要多加注意，此時可以加入以下代碼：

private Object readResolve() {
		return instance;
	}