详解Java中如何正确书写单例模式

单例模式算是设计模式中最容易理解，也是最容易手写代码的模式，但是其中涉及的知识点却一点也不少，所以经常作为面试题来考。一般单例都是五种写法：懒汉，饿汉，双重校验锁，静态内部类和枚举。为了记录学习过程的过程，这里整理了几种常见的单例写法，

青铜5：（Lazy-loaded，但线程不安全）

当被问到要实现一个单例模式时，很多人的第一反应是写出如下的代码，包括教科书上也是这样教我们的。

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

这段代码简单明了，而且使用了延迟加载模式，但是线程不安全。多线程环境下调用 getInstance() 方法，可能会发生多个线程进入if语句的程序代码块。

懒汉式：synchronized（Lazy-loaded，线程安全，但不高效）

为了解决上面的问题，最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步（synchronized）。

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

虽然做到了线程安全、延迟加载，但是它并不高效。因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是synchronized操作只需要在第一次调用时才被需要，即第一次创建单例实例对象时。这种模式导致即使在单例创建完成后，每次依然只有一个线程可以访问getInstance（）方法，会导致潜在的性能问题。这就引出了双重检验锁。

饿汉式：static final field（非Lazy-loaded）

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static final，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例对象是线程安全的（由JVM实现保证）。

public class Singleton{
 //类加载时就初始化
 private static final Singleton instance = new Singleton();
 private Singleton(){}
 public static Singleton getInstance(){  // Singleton with static factory
 return instance;
 }
}

它不是一种懒加载模式，instance会在加载类后一开始就被初始化，即使客户端没有调用 getInstance()方法。这会导致一些使用限制：譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的，在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就无法使用了。类似的方法还有：

public class Singleton{
 public static final Singleton instance = new Singleton(); // Singleton with public final field
 private Singleton(){}
}
// <Effective Java>第14页讲诉了两者的差异

双重检验锁 + volatile（Lazyload，线程安全，但晦涩）

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，因为会有两次检查 instance == null，一次是在同步块外，一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次？因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if，如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例对象了。

public static Singleton getSingleton() {
 if (instance == null) {       //Single Checked
  synchronized (Singleton.class) {
   if (instance == null) {     //Double Checked
    instance = new Singleton();
   }
  }
 }
 return instance ;
}

这段代码看起来很完美，很可惜它是有问题的。主要在于instance = 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 instance 分配内存
2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
3. 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）

但是在 JVM 的JIT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。为此，我们需要将 instance 变量声明成 volatile 。

public class Singleton {
 private volatile static Singleton instance; //声明为 volatile
 private Singleton(){}
 public static Singleton getSingleton() {
  if (instance == null) {       
   synchronized (Singleton.class) {
    if (instance == null) {  
     instance = new Singleton();
    }
   }
  }
  return instance;
 } 
}

但是特别注意在 Java 1.5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的，这个问题在 Java 1.5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

静态内部类：IoDH，initialization-on-demand holder

这个模式综合使用了Java的静态内部类和多线程缺省同步锁的知识，很巧妙地同时实现了延迟加载和线程安全。

public class Singleton {
 private Singleton() {}
 private static class LazyHolder {
  private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
 }
 public static Singleton getInstance() {   // From wikipedia
  return LazyHolder.INSTANCE;
 }
}

静态内部类相当于其外部类的static部分，它的对象不依赖于外部类对象，因此可以直接创建。静态内部类只有在第一次被使用的时候才会被转载。

多线程缺省同步锁

　大家都知道，在多线程开发中，为了解决并发问题，主要是通过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。但是在某些情况中，JVM已经隐含地为您执行了同步，这些情况下就不需要手动进行同步控制了。这些情况包括：

   1.由静态初始化器（在静态字段上或static{}块中的初始化器）初始化数据时

　2.访问final字段时

　3.在创建线程之前创建对象时

　4.线程可以看见它将要处理的对象时

枚举 Enum

从Java 1.5起，只需编写一个包含单个元素的枚举类型：

public enum Singleton {
 INSTANCE;
}

这种方法在功能上与公有域方法相近，但是它更加简洁，无偿地提供了序列化机制，绝对防止多次实例化，即使是在面向复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这种方法还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型以及成为实现Singleton的最佳方法。

--------------------以下是几个细节存疑的实现方法---------------------

1.static final到底有哪些细节

2.static field处的赋值初始化到底和static代码块有先后吗?

3.静态内部类的单例模式到底怎么写

4.P50 in Java EE设计模式解析与应用中的例子真的有Lazyload效果吗?

以上就是本文的全部内容，希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助，同时也希望多多支持脚本之家！