單態(tài)設(shè)計(jì)模式(Singleton Design Pattern)

1 基本概念

單態(tài)模式是設(shè)計(jì)模式中最為人熟知的也是形式最簡(jiǎn)單的。它的基本概念是一個(gè)類(lèi)只生成一個(gè)實(shí)例。

2 應(yīng)用

ingleton的應(yīng)用有很多，譬如對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)只能有一個(gè)連接，或者對(duì)網(wǎng)站的連接數(shù)的計(jì)數(shù)器。

3 幾種形式

基本形式是使用private constructor和一個(gè)public的static方法來(lái)獲得類(lèi)的實(shí)例。

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

Snippet 1

constructor是private，所以如 Singleton s = new Singleton() 不再可行了。只能通過(guò)

Singleton s = Singleton.getInstance(); 來(lái)獲得實(shí)例，而這個(gè)實(shí)例因?yàn)槭莝tatic，全局共享一個(gè)，所以無(wú)論有多少個(gè)Singleton s = Singleton.getInstance(); 得到的實(shí)例都是同一個(gè)。

constructor是private，所以如 Singleton s = new Singleton() 不再可行了。只能通過(guò)Singleton s = Singleton.getInstance();來(lái)獲得實(shí)例，而這個(gè)實(shí)例因?yàn)槭莝tatic，全局共享一個(gè)，所以無(wú)論有多少個(gè)Singleton s = Singleton.getInstance(); 得到的實(shí)例都是同一個(gè)。

而Singleton 還有另外一種形式，采用lazy initialization：

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

Snippet 2

Snippet 2同Snippet 1的區(qū)別在于：

Snippet 1在load class階段就創(chuàng)建對(duì)象了;

而Snippet 2只有第一次要實(shí)例化的時(shí)候才會(huì)創(chuàng)建對(duì)象。這就是所謂的lazy initialization。

多線程問(wèn)題

我們來(lái)看snippet 2，如果是單線程，沒(méi)問(wèn)題，如果是多線程，問(wèn)題就出現(xiàn)了，因?yàn)閮蓚�(gè)線程可以同時(shí)進(jìn)入if(instance == null) 這個(gè)判斷語(yǔ)句，所以有可能兩個(gè)線程創(chuàng)建兩個(gè)實(shí)例。

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

Snippet 3

然而Snippet 3的問(wèn)題是在創(chuàng)建了對(duì)象之后, instance = new Singleton() 這個(gè)語(yǔ)句就再也不會(huì)執(zhí)行了，所以對(duì)整個(gè)方法進(jìn)行同步的話(huà)效率低下，這樣就有人想出了Double-checked locking的方法：

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

Snippet 4

這樣就解決了問(wèn)題，僅僅對(duì)

if(instance == null)  
     instance = new Singleton(); 

這段代碼進(jìn)行同步，如果對(duì)象已經(jīng)被創(chuàng)建，就不會(huì)進(jìn)入到第一個(gè)if代碼段里面，所以?xún)H僅在第一次創(chuàng)建的時(shí)候會(huì)進(jìn)行同步，效率自然高了�，F(xiàn)在看來(lái)萬(wàn)無(wú)一失了。但問(wèn)題還沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。

out-of-order write問(wèn)題，更多相關(guān)資料請(qǐng)見(jiàn)： DoubleCheckedLocking

instance = new Singleton();  的順序應(yīng)該是

分配內(nèi)存  
構(gòu)造函數(shù)初始化  
將對(duì)象的reference賦值給instance 

但因?yàn)镴ava Memory Model的問(wèn)題，可能出現(xiàn)下面的所謂out-of-order write的問(wèn)題：

分配內(nèi)存  
將對(duì)象的reference賦值給instance  
構(gòu)造函數(shù)初始化 

也就是還沒(méi)對(duì)對(duì)象初始化，就已經(jīng)instance != null了，這樣如果另外一個(gè)線程這時(shí)候?qū)��?shí)例進(jìn)行操作，可能有意想不到的結(jié)果。

但仍舊沒(méi)有好的辦法可以完全解決這個(gè)問(wèn)題。見(jiàn) 參考一 , 參考二

綜上，采用Snippet 1或者Snippet 3比較安全。Snippet 2和Snippet 4最好在多線程的環(huán)境下不要使用，否則可能會(huì)出錯(cuò)。

4 限制

但Singleton的模式還是有限制的

1 因?yàn)椴捎胮rivate constructor，所以Singleton是不能被繼承的。

2 如果應(yīng)用是在容器中運(yùn)行，就要小心，因?yàn)閟ervlet可能在被幾個(gè)classloader加載，同時(shí)有幾個(gè)Singleton實(shí)例存在。

3 另外如果Singleton是可被序列化的(Serializable)，如果序列化一次而反序列化多次就有可能有多個(gè)Singleton實(shí)例存在。關(guān)于序列化見(jiàn)此文。

5 結(jié)論

所以就算是看起來(lái)最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)模式也有這么多變數(shù)，一不小心就可能落入陷阱。不過(guò)當(dāng)你知道陷阱在哪，也就能避免掉進(jìn)去了。

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