单例模式

首先介绍一下单例模式： 
    单例模式（Singleton），也叫单子模式，是一种常用的软件设计模式。在应用这个模式时，单例对象的类必须保证只有一个实例存在。许多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息。这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。 

实现单例模式的思路是： 
    一个类能返回对象一个引用(永远是同一个)和一个获得该实例的方法（必须是静态方法，通常使用getInstance这个名 称）；当我们调用这个方法时，如果类持有的引用不为空就返回这个引用，如果类保持的引用为空就创建该类的实例并将实例的引用赋予该类保持的引用；同时我们 还将该类的构造函数定义为私有方法，这样其他处的代码就无法通过调用该类的构造函数来实例化该类的对象，只有通过该类提供的静态方法来得到该类的唯一实例。 

需要注意的地方： 
    单例模式在多线程的 应用场合下必须小心使用。如果当唯一实例尚未创建时，有两个线程同时调用创建方法，那么它们同时没有检测到唯一实例的存在，从而同时各自创建了一个实例， 这样就有两个实例被构造出来，从而违反了单例模式中实例唯一的原则。 解决这个问题的办法是为指示类是否已经实例化的变量提供一个互斥锁(虽然这样会降低效率)。 

优点： 
    1.在单例模式中，活动的单例只有一个实例，对单例类的所有实例化得到的都是相同的一个实例。这样就 防止其它对象对自己的实例化，确保所有的对象都访问一个实例 
    2.单例模式具有一定的伸缩性，类自己来控制实例化进程，类就在改变实例化进程上有相应的伸缩性。 
    3.提供了对唯一实例的受控访问。 
    4.由于在系统内存中只存在一个对象，因此可以 节约系统资源，当 需要频繁创建和销毁的对象时单例模式无疑可以提高系统的性能。 
    5.允许可变数目的实例。 
    6.避免对共享资源的多重占用。 
缺点： 
    1.不适用于变化的对象，如果同一类型的对象总是要在不同的用例场景发生变化，单例就会引起数据的错误，不能保存彼此的状态。 
    2.由于单利模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。 
    3.单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。 
    4.滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为是垃圾而被回收，这将导致对象状态的丢失。 
使用注意事项： 
    1.使用时不能用反射模式创建单例，否则会实例化一个新的对象 
    2.使用懒单例模式时注意线程安全问题 
    3.饿单例模式和懒单例模式构造方法都是私有的，因而是不能被继承的，有些单例模式可以被继承（如登记式模式） 
适用场景： 
    单例模式只允许创建一个对象，因此节省内存，加快对象访问速度，因此对象需要被公用的场合适合使用，如多个模块使用同一个数据源连接对象等等。如： 
    1.需要频繁实例化然后销毁的对象。 
    2.创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象。 
    3.有状态的工具类对象。 
    4.频繁访问数据库或文件的对象。 
以下都是单例模式的经典使用场景： 
    1.资源共享的情况下，避免由于资源操作时导致的性能或损耗等。如上述中的日志文件，应用配置。 
    2.控制资源的情况下，方便资源之间的互相通信。如线程池等。 
应用场景举例： 
    1.外部资源：每台计算机有若干个打印机，但只能有一个PrinterSpooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机。内部资源：大多数软件都有一个（或多个）属性文件存放系统配置，这样的系统应该有一个对象管理这些属性文件 
    2. Windows的Task Manager（任务管理器）就是很典型的单例模式（这个很熟悉吧），想想看，是不是呢，你能打开两个windows task manager吗？ 不信你自己试试看哦~ 
    3. windows的Recycle Bin（回收站）也是典型的单例应用。在整个系统运行过程中，回收站一直维护着仅有的一个实例。 
    4. 网站的计数器，一般也是采用单例模式实现，否则难以同步。 
    5. 应用程序的日志应用，一般都何用单例模式实现，这一般是由于共享的日志文件一直处于打开状态，因为只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。 
    6. Web应用的配置对象的读取，一般也应用单例模式，这个是由于配置文件是共享的资源。 
    7. 数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池，主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗，这种效率上的损耗还是非常昂贵的，因为何用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗。 
    8. 多线程的线程池的设计一般也是采用单例模式，这是由于线程池要方便对池中的线程进行控制。 
    9. 操作系统的文件系统，也是大的单例模式实现的具体例子，一个操作系统只能有一个文件系统。 
    10. HttpApplication 也是单位例的典型应用。熟悉ASP.Net(IIS)的整个请求生命周期的人应该知道HttpApplication也是单例模式，所有的HttpModule都共享一个HttpApplication实例. 
　　 
实现单利模式的原则和过程： 
    1.单例模式：确保一个类只有一个实例，自行实例化并向系统提供这个实例 
    2.单例模式分类：饿单例模式（类加载时实例化一个对象给自己的引用），懒单例模式（调用取得实例的方法如getInstance时才会实例化对象）（java中饿单例模式性能优于懒单例模式，c++中一般使用懒单例模式） 
    3.单例模式要素： 
        a.私有构造方法 
        b.私有静态引用指向自己实例 
        c.以自己实例为返回值的公有静态方法 

1.饿汉式：单例实例在类装载时就构建，急切初始化。（预先加载法） 

/**
* 饿汉式（单线程多线程均适用，因为是线程安全的）
*
*/
####################################################
声明时就初始化如下：
public class Singleton{
   private static Singleton instance = new Singleton();
   private Singleton() {
        }
   public static Singleton getInstance()   {  return instance;  }
}
##############################################
静态代码块实现如下：
public class Singleton{
   private static Singleton instance = null;   static { instance = new Singleton(); }
   private Singleton() { }

   public static Singleton getInstance()   {  return instance;  }

}

 

直接在运行这个类的时候进行一次loading，之后直接访问。显然，这种方法没有起到lazy loading的效果，考虑到前面提到的和静态类的对比，这种方法只比静态类多了一个内存常驻而已。

2.懒汉式：单例实例在第一次被使用时构建，延迟初始化。 

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){

    }
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
            instance=new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
###############################################
改进一：给静态方法添加同步机制synchronized。线程安全，效率低下。
###############################################

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){

    }
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
            instance=new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
################################################
改进二：添加双重检查锁机制。线程不安全。
################################################

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){

    }
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
        synchronized(Singleton.class){
           if(instance == null)
            instance=new Singleton();
        }
        }
        return instance;
    }
}
#################################################
改进三：给静态属性添加volatile修饰。线程安全，效率较高。（推荐）
#################################################

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    private Singleton(){

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

3、静态内部类。线程安全，效率较高。（推荐）

public class Singleton{

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

private Singleton(){
}

public static getSingleton(){
      return Holder.instance;
     }

}

优点 
    资源利用率高，不执行getInstance()不被实例，可以执行该类其他静态方法 
缺点 
    第一次加载时反应不够快 

总结： 
    一般采用饿汉式，若对资源十分在意可以采用静态内部类，不建议采用懒汉式及双重检测。

4、枚举单例。

public enum SingletonEnum { 
INSTANCE; 
private String name; 
public String getName(){ 
return name; 
      } 
public void setName(String name){ 
this.name = name; 
      } 
}
##############################################

 

单实例Singleton设计模式可能是被讨论和使用的最广泛的一个设计模式了，这可能也是面试中问得最多的一个设计模式了。这个设计模式主要目的是想在整个系统中只能出现一个类的实例。这样做当然是有必然的，比如你的软件的全局配置信息，或者是一个Factory，或是一个主控类，等等。你希望这个类在整个系统中只能出现一个实例。当然，作为一个技术负责人的你，你当然有权利通过使用非技术的手段来达到你的目的。比如：你在团队内部明文规定，“XX类只能有一个全局实例，如果某人使用两次以上，那么该人将被处于2000元的罚款！”（呵呵），你当然有权这么做。但是如果你的设计的是东西是一个类库，或是一个需要提供给用户使用的API，恐怕你的这项规定将会失效。因为，你无权要求别人会那么做。所以，这就是为什么，我们希望通过使用技术的手段来达成这样一个目的的原因。

 

本文会带着你深入整个Singleton的世界，当然，我会放弃使用C++语言而改用Java语言，因为使用Java这个语言可能更容易让我说明一些事情。

 

Singleton的教学版本

 

这里，我将直接给出一个Singleton的简单实现，因为我相信你已经有这方面的一些基础了。我们姑且把这个版本叫做1.0版

// version 1.0
public class Singleton {
private static Singleton singleton = null;
private Singleton() {  }
public static Singleton getInstance() {
if (singleton== null) {
singleton= new Singleton();
}
return singleton;
}
}

 

 

在上面的实例中，我想说明下面几个Singleton的特点：（下面这些东西可能是尽人皆知的，没有什么新鲜的）

 

1. 私有（private）的构造函数，表明这个类是不可能形成实例了。这主要是怕这个类会有多个实例。
2. 即然这个类是不可能形成实例，那么，我们需要一个静态的方式让其形成实例：getInstance()。注意这个方法是在new自己，因为其可以访问私有的构造函数，所以他是可以保证实例被创建出来的。
3. 在getInstance()中，先做判断是否已形成实例，如果已形成则直接返回，否则创建实例。
4. 所形成的实例保存在自己类中的私有成员中。
5. 我们取实例时，只需要使用Singleton.getInstance()就行了。

 

当然，如果你觉得知道了上面这些事情后就学成了，那得给你当头棒喝一下了，事情远远没有那么简单。

 

Singleton的实际版本

 

上面的这个程序存在比较严重的问题，因为是全局性的实例，所以，在多线程情况下，所有的全局共享的东西都会变得非常的危险，这个也一样，在多线程情况下，如果多个线程同时调用getInstance()的话，那么，可能会有多个进程同时通过 (singleton== null)的条件检查，于是，多个实例就创建出来，并且很可能造成内存泄露问题。嗯，熟悉多线程的你一定会说——“我们需要线程互斥或同步”，没错，我们需要这个事情，于是我们的Singleton升级成1.1版，如下所示：

 

// version 1.1
public class Singleton
{
private static Singleton singleton = null;
private Singleton() {  }
public static Singleton getInstance() {
if (singleton== null) {
synchronized (Singleton.class) {
singleton= new Singleton();
}
}
return singleton;
}
}

 

嗯，使用了Java的synchronized方法，看起来不错哦。应该没有问题了吧？！错！这还是有问题！为什么呢？前面已经说过，如果有多个线程同时通过(singleton== null)的条件检查（因为他们并行运行），虽然我们的synchronized方法会帮助我们同步所有的线程，让我们并行线程变成串行的一个一个去new，那不还是一样的吗？同样会出现很多实例。嗯，确实如此！看来，还得把那个判断(singleton== null)条件也同步起来。于是，我们的Singleton再次升级成1.2版本，如下所示：

// version 1.2
public class Singleton
{
private static Singleton singleton = null;
private Singleton()  {  }
public static Singleton getInstance()  {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton== null) {
singleton= new Singleton();
}
}
return singleton;
}
}

 

不错不错，看似很不错了。在多线程下应该没有什么问题了，不是吗？的确是这样的，1.2版的Singleton在多线程下的确没有问题了，因为我们同步了所有的线程。只不过嘛……，什么？！还不行？！是的，还是有点小问题，我们本来只是想让new这个操作并行就可以了，现在，只要是进入getInstance()的线程都得同步啊，注意，创建对象的动作只有一次，后面的动作全是读取那个成员变量，这些读取的动作不需要线程同步啊。这样的作法感觉非常极端啊，为了一个初始化的创建动作，居然让我们达上了所有的读操作，严重影响后续的性能啊！

 

还得改！嗯，看来，在线程同步前还得加一个(singleton== null)的条件判断，如果对象已经创建了，那么就不需要线程的同步了。OK，下面是1.3版的Singleton。

// version 1.3
public class Singleton
{
private static Singleton singleton = null;
private Singleton()  {    }
public static Singleton getInstance() {
if (singleton== null)  {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton== null)  {
singleton= new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}

 

 

感觉代码开始变得有点罗嗦和复杂了，不过，这可能是最不错的一个版本了，这个版本又叫“双重检查”Double-Check。下面是说明：

 

1. 第一个条件是说，如果实例创建了，那就不需要同步了，直接返回就好了。
2. 不然，我们就开始同步线程。
3. 第二个条件是说，如果被同步的线程中，有一个线程创建了对象，那么别的线程就不用再创建了。

 

相当不错啊，干得非常漂亮！请大家为我们的1.3版起立鼓掌！

 

但是，如果你认为这个版本大攻告成，你就错了。

 

主要在于singleton ​​= new Singleton()​​这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。

 

1. 给 singleton 分配内存
2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null 了）

 

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

 

对此，我们只需要把singleton声明成 volatile 就可以了。下面是1.4版：

 

// version 1.4
public class Singleton
{
private volatile static Singleton singleton = null;
private Singleton()  {    }
public static Singleton getInstance()   {
if (singleton== null)  {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton== null)  {
singleton= new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}

 

使用 volatile 有两个功用：

 

1）这个变量不会在多个线程中存在复本，直接从内存读取。

 

2）这个关键字会禁止指令重排序优化。也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。

 

但是，这个事情仅在Java 1.5版后有用，1.5版之前用这个变量也有问题，因为老版本的Java的内存模型是有缺陷的。

 

Singleton 的简化版本

 

上面的玩法实在是太复杂了，一点也不优雅，下面是一种更为优雅的方式：

 

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

 

// version 1.5
public class Singleton
{
private volatile static Singleton singleton = new Singleton();
private Singleton()  {    }
public static Singleton getInstance()   {
return singleton;
}
}

 

但是，这种玩法的最大问题是——当这个类被加载的时候，new Singleton() 这句话就会被执行，就算是getInstance()没有被调用，类也被初始化了。

 

于是，这个可能会与我们想要的行为不一样，比如，我的类的构造函数中，有一些事可能需要依赖于别的类干的一些事（比如某个配置文件，或是某个被其它类创建的资源），我们希望他能在我第一次getInstance()时才被真正的创建。这样，我们可以控制真正的类创建的时刻，而不是把类的创建委托给了类装载器。

 

好吧，我们还得绕一下：

 

下面的这个1.6版是老版《Effective Java》中推荐的方式。

 

// version 1.6
public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}

 

上面这种方式，仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它只有在getInstance()被调用时才会真正创建；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

 

Singleton 优雅版本

 

public enum Singleton{
INSTANCE;
}

 

居然用枚举！！看上去好牛逼，通过EasySingleton.INSTANCE来访问，这比调用getInstance()方法简单多了。

 

默认枚举实例的创建是线程安全的，所以不需要担心线程安全的问题。但是在枚举中的其他任何方法的线程安全由程序员自己负责。还有防止上面的通过反射机制调用私用构造器。

 

这个版本基本上消除了绝大多数的问题。代码也非常简单，实在无法不用。这也是新版的《Effective Java》中推荐的模式。

 

Singleton的其它问题

 

怎么？还有问题？！当然还有，请记住下面这条规则——“无论你的代码写得有多好，其只能在特定的范围内工作，超出这个范围就要出Bug了”，这是“陈式第一定理”，呵呵。你能想一想还有什么情况会让这个我们上面的代码出问题吗？

 

在C++下，我不是很好举例，但是在Java的环境下，嘿嘿，还是让我们来看看下面的一些反例和一些别的事情的讨论（当然，有些反例可能属于钻牛角尖，可能有点学院派，不过也不排除其实际可能性，就算是提个醒吧）：

 

其一、Class Loader。不知道你对Java的Class Loader熟悉吗？“类装载器”？！C++可没有这个东西啊。这是Java动态性的核心。顾名思义，类装载器是用来把类(class)装载进JVM的。JVM规范定义了两种类型的类装载器：启动内装载器(bootstrap)和用户自定义装载器(user-defined class loader)。 在一个JVM中可能存在多个ClassLoader，每个ClassLoader拥有自己的NameSpace。一个ClassLoader只能拥有一个class对象类型的实例，但是不同的ClassLoader可能拥有相同的class对象实例，这时可能产生致命的问题。如ClassLoaderA，装载了类A的类型实例A1，而ClassLoaderB，也装载了类A的对象实例A2。逻辑上讲A1=A2，但是由于A1和A2来自于不同的ClassLoader，它们实际上是完全不同的，如果A中定义了一个静态变量c，则c在不同的ClassLoader中的值是不同的。

 

于是，如果咱们的Singleton 1.3版本如果面对着多个Class Loader会怎么样？呵呵，多个实例同样会被多个Class Loader创建出来，当然，这个有点牵强，不过他确实存在。难道我们还要整出个1.4版吗？可是，我们怎么可能在我的Singleton类中操作Class Loader啊？是的，你根本不可能。在这种情况下，你能做的只有是——“保证多个Class Loader不会装载同一个Singleton”。

 

其二、序例化。如果我们的这个Singleton类是一个关于我们程序配置信息的类。我们需要它有序列化的功能，那么，当反序列化的时候，我们将无法控制别人不多次反序列化。不过，我们可以利用一下Serializable接口的readResolve()方法，比如：

 

public class Singleton implements Serializable
{
......
......
protected Object readResolve()
{
return getInstance();
}
}

 

其三、多个Java虚拟机。如果我们的程序运行在多个Java的虚拟机中。什么？多个虚拟机？这是一种什么样的情况啊。嗯，这种情况是有点极端，不过还是可能出现，比如EJB或RMI之流的东西。要在这种环境下避免多实例，看来只能通过良好的设计或非技术来解决了。

 

其四，volatile变量。关于volatile这个关键字所声明的变量可以被看作是一种 “程度较轻的同步synchronized”；与 synchronized 块相比，volatile 变量所需的编码较少，并且运行时开销也较少，但是它所能实现的功能也仅是synchronized的一部分。当然，如前面所述，我们需要的Singleton只是在创建的时候线程同步，而后面的读取则不需要同步。所以，volatile变量并不能帮助我们即能解决问题，又有好的性能。而且，这种变量只能在JDK 1.5+版后才能使用。

 

其五、关于继承。是的，继承于Singleton后的子类也有可能造成多实例的问题。不过，因为我们早把Singleton的构造函数声明成了私有的，所以也就杜绝了继承这种事情。

 

其六，关于代码重用。也话我们的系统中有很多个类需要用到这个模式，如果我们在每一个类都中有这样的代码，那么就显得有点傻了。那么，我们是否可以使用一种方法，把这具模式抽象出去？在C++下这是很容易的，因为有模板和友元，还支持栈上分配内存，所以比较容易一些（程序如下所示），Java下可能比较复杂一些，聪明的你知道怎么做吗？

 

template class Singleton
{
public:
static T& Instance()
{
static T theSingleInstance; //假设T有一个protected默认构造函数
return theSingleInstance;
}
};

class OnlyOne : public Singleton
{
friend class Singleton;
int example_data;

public:
int GetExampleData() const {return example_data;}
protected:
OnlyOne(): example_data(42) {}   // 默认构造函数
OnlyOne(OnlyOne&) {}
};

int main( )
{
cout << OnlyOne::Instance().GetExampleData() << endl;
return 0;
}