設計模式之單件模式（Singleton Pattern）

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一。單件模式是什麼？

單件模式也被稱為單例模式，它的作用說白了就是為了確保“該類的實例只有一個”

單件模式經常被用來管理資源敏感的物件，比如：資料庫連接物件、註冊表物件、執行緒池物件等等，這種物件如果同時存在多個的話就會造成各種不一致的麻煩（你總不希望發生資料庫重複連接的異常吧）

二。如何保證類的實例只有一個？

（這個問題看似簡單，但如果沒有接觸過單件模式的話，要想出來解決方案還是需要一些天賦的。。不信的話，可以試著想想。。）

1.類的實例可能只有一個嗎？貌似只要知道類名就可以隨便 new 了吧？
當然可以，知道類名的話，確實可以呼叫其建構方法來 new 實例，但是，注意一點：這個類必須要有公開的建構方法才能從外部 new 實例，不是嗎？

2.那就是說要保證類的實例只有一個的話，這個類不能有公開的建構方法，對吧？
沒錯，就是這樣，我們需要定義一個私有的建構方法

3.一個沒有公開建構方法的類能夠產生實例嗎？如果建構方法是 private，那麼只有該類的實例才能呼叫這個建構方法，同樣的要呼叫這個建構方法才能產生該類的實例。。這不是“雞生蛋，蛋生雞。。”的問題嗎？用私有的建構方法當然可以生產實例，上面忽略了一點：並不是“只有該類的實例才能呼叫這個建構方法”。因為在該類內部就可以隨便呼叫這個私有的建構方法，並不需要建立任何實例

有了上面的討論結果，我們就可以實現經典的單件模式了：

package SingletonPattern;
/**


@author ayqy


最經典的單件模式
*/
public class Singleton {
private static Singleton instance;//定義靜態實例變數
/**

定義私有建構方法，防止從外部 new 實例
*/
private Singleton(){
//初始化操作
}

/**

提供全域訪問點
@return 該類的實例
*/
public static Singleton getInstance(){
if(instance == null)
instance = new Singleton();
return instance;
}

/*

其它有用的屬性和行為
畢竟應用了單件模式的類仍然具有原本的功能
*/
}

注意：一定要清楚最後一點，應用了單件模式的類並不應該喪失其原本的功能，千萬不能為了使用而使用

三。繼續思考我們的單件模式

我們的單件模式已經萬無一失了嗎？不，它還存在很多問題，比如：

1.多執行緒環境下；2.多個 class loader 環境下

我們無法保證產生的實例只有一個，對吧？

但是作為一種成熟的設計模式，單件模式必須要能從容應對這些環境，所以，接下來我們將討論如何應對這些環境

四。多執行緒環境下的單件模式

如何在多執行緒環境下保證實例的唯一性？很容易想到用 synchronized 關鍵字來保證執行緒安全，就像這樣：

/**
 * 提供全域訪問點
 * @return 該類的實例
 */
public static synchronized Singleton getInstance(){
	if(instance == null)
		instance = new Singleton();
	return instance;
}

我們把 getInstance 方法定義為同步方法就保證了不會有多個執行緒同時進入該方法，就不會產生不同的實例了

但是上面的方法存在致命的問題：用 synchronized 關鍵字同步方法會極大的降低效率（同步一個方法甚至可能造成百倍的效率下降。。），這會拖垮我們的程式。有什麼好的改進方法呢？

首先，上面的同步塊是整個 getIntance 方法，每次��叫該方法都會強制進入同步機制，但仔細一想，我們只在第一此呼叫該方法時需要進行同步（第一次 new 物件），之後的呼叫直接返回 new 好的物件就好了

那麼，我們的改進方案就是：用雙重加鎖實現只在第一次 new 物件時進行同步

package SingletonPattern;
/**


@author ayqy


多執行緒下的單件模式 2——利用雙重加鎖保證只在實例化變數的時候進行同步
*/
public class DoubleLockSingleton {
private static volatile DoubleLockSingleton instance;//定義靜態實例變數
/**

定義私有建構方法，防止從外部 new 實例
*/
private DoubleLockSingleton(){
//初始化操作
}

/**

提供全域訪問點
@return 該類的實例
*/
public static DoubleLockSingleton getInstance(){
if(instance == null)
synchronized(DoubleLockSingleton.class){//進入同步塊
if(instance == null)//再次判空
instance = new DoubleLockSingleton();
}
return instance;
}

/*

其它有用的屬性和行為
畢竟應用了單件模式的類仍然具有原本的功能
*/
}

注意：雙重加鎖體現在 volatile 關鍵字（告訴編譯器，這個變數不能被保留副本，一旦發生變動就會強制寫回，避免了不一致）和 synchronized 修飾的同步塊

但要明白這樣做的代價，volatile 關鍵字也會告訴編譯器，不要對該物件進行編譯優化。只看第一次 new 物件的過程的話，雙重加鎖的效率甚至要比同步方法更低，但在雙重加鎖方式在以後的呼叫中不再需要進行同步，所以長遠看來雙重加鎖的效率要高於同步方法

有沒有一種方法不需要使用龜速的同步機制就能保證執行緒安全呢？如果有的話，絕對能夠大大提高效率，對吧？

當然有，這種方法叫做“急切初始化”（順便提一下，開篇提到的“經典單件模式”其實用了“延遲初始化”的方法。。很簡單，不必解釋），一起看看吧：

package SingletonPattern;
/**


@author ayqy


多執行緒環境下的單件模式——用“急切初始化”來保證執行緒安全
*/
public class EagerlyInitSingleton {
private static EagerlyInitSingleton instance = new EagerlyInitSingleton();//定義靜態實例變數，並在類載入的時候就進行初始化操作
/**

定義私有建構方法，防止從外部 new 實例
*/
private EagerlyInitSingleton(){
//初始化操作
}

/**

提供全域訪問點
@return 該類的實例
*/
public static synchronized EagerlyInitSingleton getInstance(){
return instance;
}

/*

其它有用的屬性和行為
畢竟應用了單件模式的類仍然具有原本的功能
*/
}

額，這也能叫方法嗎？這種方法貌似不合標準吧？沒關係，這種方法自然有它的優點，比如：

1.效率很高，且執行緒安全；2.簡單易用，什麼都不用考慮，甚至不用判斷

但其致命的缺點是：資源浪費問題，如果這個物件是一個巨大的極其耗費資源的物件，而我們在一開始就建立了它，卻遲遲沒有用到，這將是非常傷的。。

上面提到了三種保證執行緒同步的方式，如何選擇必須要結合具體情況來定，應綜合考慮效率，資源利用等各個因素

五。多個 class loader 環境下的單件模式

如果存在多個類載入器，多個類載入器可能同時載入我們的單件類，從而產生多個實例

對於這種情況，我們可以顯式指定使用哪一個 class loader 來載入單件類，這樣就有效避免了上述問題

六。總結

應用單件模式可以保證物件的唯一性，但要注意單件模式的適用範圍。不應該濫用單件模式，因為畢竟需要管理的資源敏感物件不會很多