設計模式系列 - 單例模式
本文轉載自微信公眾號「三太子敖丙」，作者三太子敖丙。轉載本文請聯系三太子敖丙公眾號。
我不知道大家工作或者面試時候遇到過單例模式沒，面試的話我記得我當時在17年第一次實習的時候，就遇到了單例模式，面試官是我后來的leader，當時就讓我手寫單例，我記得我就寫出了餓漢式，懶漢式，但是并沒說出懶漢和惡漢的區別，當時他給我一通解釋我才知道了其中的奧秘。
寫這篇文章之前我刻意的在我手上的項目里面去找了找，我發現單例在每個項目里面都有運用到，而且我后面所說的幾種實現還基本上都涉及了，還挺有意思的。
開篇我就給大家一個思考題：為什么不用靜態方法而不用單例模式?
問題的答案我會在最后公布，大家可以帶著問題看下去，看看大家的思考是不是跟我一樣的。
大家肯定也能經常聽到身邊的同學說單例很簡單，自己也會，但是真到自己的時候你能就一個知識點講的很透徹，并且能夠發散思考引出更多的答案嗎?或者能說出他每種模式更適合的場景么?這是值得深思的。
首先給單例下一個定義：在當前進程中，通過單例模式創建的類有且只有一個實例。
單例有如下幾個特點：
- 在Java應用中，單例模式能保證在一個JVM中，該對象只有一個實例存在
- 構造器必須是私有的，外部類無法通過調用構造器方法創建該實例
- 沒有公開的set方法，外部類無法調用set方法創建該實例
- 提供一個公開的get方法獲取唯一的這個實例
那單例模式有什么好處呢?
- 某些類創建比較頻繁，對于一些大型的對象，這是一筆很大的系統開銷
- 省去了new操作符，降低了系統內存的使用頻率，減輕GC壓力
- 系統中某些類，如spring里的controller，控制著處理流程，如果該類可以創建多個的話，系統完全亂了
- 避免了對資源的重復占用
好了，單例模式的定義也清楚了，好處也了解了，先看一個餓漢式的寫法
餓漢式
- public class Singleton {
- // 創建一個實例對象
- private static Singleton instance = new Singleton();
- /**
- * 私有構造方法，防止被實例化
- */
- private Singleton(){}
- /**
- * 靜態get方法
- */
- public static Singleton getInstance(){
- return instance;
- }
- }
之所以叫餓漢式大家可以理解為他餓，他想提前把對象new出來，這樣別人哪怕是第一次獲取這個類對象的時候直接就存在這個類了，省去了創建類這一步的開銷。
等我介紹完懶漢之后，對比一下大家就知道兩者的區別，以及各自適用在什么場景了。
懶漢式
線程不安全的模式
- public class Singleton {
- private static Singleton instance;
- private Singleton (){}
- public static Singleton getInstance() {
- if (instance == null) {
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
- }
懶漢式大家可以理解為他懶，別人第一次調用的時候他發現自己的實例是空的，然后去初始化了，再賦值，后面的調用就和惡漢沒區別了。
懶漢和惡漢的對比：大家可以發現兩者的區別基本上就是第一次創作時候的開銷問題，以及線程安全問題(線程不安全模式的懶漢)。
那有了這個對比，那他們的場景好理解了，在很多電商場景，如果這個數據是經常訪問的熱點數據，那我就可以在系統啟動的時候使用惡漢模式提前加載(類似緩存的預熱)這樣哪怕是第一個用戶調用都不會存在創建開銷，而且調用頻繁也不存在內存浪費了。
而懶漢式呢我們可以用在不怎么熱的地方，比如那個數據你不確定很長一段時間是不是有人會調用，那就用懶漢，如果你使用了惡漢，但是過了幾個月還沒人調用，提前加載的類在內存中是有資源浪費的。
線程安全問題
上面的懶漢我是故意沒加鎖的，大家肯定都知道懶漢的線程安全問題的吧?
???忘了?那好吧，暖男帶你回憶一波吧。
在運行過程中可能存在這么一種情況：多個線程去調用getInstance方法來獲取Singleton的實例，那么就有可能發生這樣一種情況，當第一個線程在執行if(instance==null)時，此時instance是為null的進入語句。
在還沒有執行instance=new Singleton()時(此時instance是為null的)第二個線程也進入了if(instance==null)這個語句，因為之前進入這個語句的線程中還沒有執行instance=new Singleton()，所以它會執行instance = new Singleton()來實例化Singleton對象，因為第二個線程也進入了if語句所以它會實例化Singleton對象。
這樣就導致了實例化了兩個Singleton對象，那怎么解決?
簡單粗暴，加鎖就好了，這是加鎖之后的代碼。
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = null;
- /**
- * 私有構造方法，防止被實例化
- */
- private Singleton(){}
- /**
- * 靜態get方法
- */
- public static synchronized Singleton getInstance(){
- if(instance == null){
- instance = new Singleton();
- }
- return instance;
- }
- }
這是一種典型的時間換空間的寫法，不管三七二十一，每次創建實例時先鎖起來，再進行判斷，嚴重降低了系統的處理速度。
有沒有更好的處理方式呢?
有，通過雙檢鎖做兩次判斷，代碼如下：
- public class Singleton {
- private static Singleton instance = null;
- private Singleton(){}
- public static Singleton getInstance(){
- //先檢查實例是否存在，如果不存在才進入下面的同步塊
- if(instance == null){
- //同步塊，線程安全的創建實例
- synchronized (Singleton.class) {
- //再次檢查實例是否存在，如果不存在才真正的創建實例
- if(instance == null){
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
- }
將synchronized關鍵字加在了內部，也就是說當調用的時候是不需要加鎖的，只有在instance為null，并創建對象的時候才需要加鎖，性能有一定的提升。
但是，這樣就沒有問題了嗎?
看下面的情況：在Java指令中創建對象和賦值操作是分開進行的，也就是說instance = new Singleton();語句是分兩步執行的。
但是JVM并不保證這兩個操作的先后順序，也就是說有可能JVM會為新的Singleton實例分配空間，然后直接賦值給instance成員，然后再去初始化這個Singleton實例。
這樣就可能出錯了，我們以A、B兩個線程為例：
A、B線程同時進入了第一個if判斷
A首先進入synchronized塊，由于instance為null，所以它執行instance = new Singleton();
由于JVM內部的優化機制，JVM先畫出了一些分配給Singleton實例的空白內存，并賦值給instance成員(注意此時JVM沒有開始初始化這個實例)，然后A離開了synchronized塊。
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B進入synchronized塊，由于instance此時不是null，因此它馬上離開了synchronized塊并將結果返回給調用該方法的程序。
此時B線程打算使用Singleton實例，卻發現它沒有被初始化，于是錯誤發生了。
加上volatile修飾Singleton，再做一次優化：
- public class Singleton {
- private volatile static Singleton instance = null;
- private Singleton(){}
- public static Singleton getInstance(){
- //先檢查實例是否存在，如果不存在才進入下面的同步塊
- if(instance == null){
- //同步塊，線程安全的創建實例
- synchronized (Singleton.class) {
- //再次檢查實例是否存在，如果不存在才真正的創建實例
- if(instance == null){
- instance = new Singleton();
- }
- }
- }
- return instance;
- }
- }
**通過volatile修飾的變量，不會被線程本地緩存，所有線程對該對象的讀寫都會第一時間同步到主內存，從而保證多個線程間該對象的準確性 **
volatile的作用
- 防止指令重排序，因為instance = new Singleton()不是原子操作
- 保證內存可見
這個是比較完美的寫法了，這種方式能夠安全的創建唯一的一個實例，又不會對性能有太大的影響。
但是由于volatile關鍵字可能會屏蔽掉虛擬機中一些必要的代碼優化，所以運行效率并不是很高，還有更優的寫法嗎?
通過靜態內部類
- public class Singleton {
- /* 私有構造方法，防止被實例化 */
- private Singleton() {
- }
- /* 此處使用一個內部類來維護單例 */
- private static class SingletonFactory {
- private static Singleton instance = new Singleton();
- }
- /* 獲取實例 */
- public static Singleton getInstance() {
- return SingletonFactory.instance;
- }
- /* 如果該對象被用于序列化，可以保證對象在序列化前后保持一致 */
- public Object readResolve() {
- return getInstance();
- }
- }
使用內部類來維護單例的實現，JVM內部的機制能夠保證當一個類被加載的時候，這個類的加載過程是線程互斥的。
這樣當我們第一次調用getInstance的時候，JVM能夠幫我們保證instance只被創建一次，并且會保證把賦值給instance的內存初始化完畢， 這樣我們就不用擔心上面的問題。
同時該方法也只會在第一次調用的時候使用互斥機制，這樣就解決了低性能問題。這樣我們暫時總結一個完美的單例模式。
還有更完美的寫法嗎，通過枚舉：
- public enum Singleton {
- /**
- * 定義一個枚舉的元素，它就代表了Singleton的一個實例。
- */
- Instance;
- }
使用枚舉來實現單實例控制會更加簡潔，而且JVM從根本上提供保障，絕對防止多次實例化，是更簡潔、高效、安全的實現單例的方式。
最后這種也是我最青睞的一種(代碼少)。
總結
最后大家應該都知道單例模式的寫法了，也知道優劣勢和使用場景了，那開頭的那個問題大家心里有答案了么?
什么?連問題都忘了?問題：為什么不用靜態方法而不用單例模式?
兩者其實都能實現我們加載的最終目的，但是他們一個是基于對象，一個是面向對象的，就像我們不面向對象也能解決問題一樣，面向對象的代碼提供一個更好的編程思想。
如果一個方法和他所在類的實例對象無關，那么它就應該是靜態的，反之他就應該是非靜態的。如果我們確實應該使用非靜態的方法，但是在創建類時又確實只需要維護一份實例時，就需要用單例模式了。
我們的電商系統中就有很多類，有很多配置和屬性，這些配置和屬性是一定存在了，又是公共的，同時需要在整個生命周期中都存在，所以只需要一份就行，這個時候如果需要我再需要的時候new一個，再給他分配值，顯然是浪費內存并且再賦值沒什么意義。
所以我們用單例模式或靜態方法去維持一份這些值有且只有這一份值，但此時這些配置和屬性又是通過面向對象的編碼方式得到的，我們就應該使用單例模式，或者不是面向對象的，但他本身的屬性應該是面對對象的，我們使用靜態方法雖然能同樣解決問題，但是最好的解決方案也應該是使用單例模式。
資料參考：《java設計模式》、《為什么要用單例模式?》
好啦以上就是本期的全部內容，我是敖丙，你知道的越多，你不知道的越多，我們下期見。
