单态设计模式(Singleton Design Pattern)

1 基本概念

单态模式是设计模式中最为人熟知的也是形式最简单的。它的基本概念是一个类只生成一个实例。

2 应用

ingleton的应用有很多，譬如对数据库只能有一个连接，或者对网站的连接数的计数器。

3 几种形式

基本形式是使用private constructor和一个public的static方法来获得类的实例。

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。只能通过

Singleton s = Singleton.getInstance(); 来获得实例，而这个实例因为是static，全局共享一个，所以无论有多少个Singleton s = Singleton.getInstance(); 得到的实例都是同一个。

constructor是private，所以如 Singleton s = new Singleton() 不再可行了。只能通过Singleton s = Singleton.getInstance();来获得实例，而这个实例因为是static，全局共享一个，所以无论有多少个Singleton s = Singleton.getInstance(); 得到的实例都是同一个。

而Singleton 还有另外一种形式，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的区别在于：

Snippet 1在load class阶段就创建对象了;

而Snippet 2只有第一次要实例化的时候才会创建对象。这就是所谓的lazy initialization。

多线程问题

我们来看snippet 2，如果是单线程，没问题，如果是多线程，问题就出现了，因为两个线程可以同时进入if(instance == null) 这个判断语句，所以有可能两个线程创建两个实例。

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的问题是在创建了对象之后, instance = new Singleton() 这个语句就再也不会执行了，所以对整个方法进行同步的话效率低下，这样就有人想出了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

这样就解决了问题，仅仅对

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

这段代码进行同步，如果对象已经被创建，就不会进入到第一个if代码段里面，所以仅仅在第一次创建的时候会进行同步，效率自然高了。现在看来万无一失了。但问题还没有这么简单。

out-of-order write问题，更多相关资料请见： DoubleCheckedLocking

instance = new Singleton();  的顺序应该是

分配内存  
构造函数初始化  
将对象的reference赋值给instance 

但因为Java Memory Model的问题，可能出现下面的所谓out-of-order write的问题：

分配内存  
将对象的reference赋值给instance  
构造函数初始化 

也就是还没对对象初始化，就已经instance != null了，这样如果另外一个线程这时候对实例进行操作，可能有意想不到的结果。

但仍旧没有好的办法可以完全解决这个问题。见 参考一 , 参考二

综上，采用Snippet 1或者Snippet 3比较安全。Snippet 2和Snippet 4最好在多线程的环境下不要使用，否则可能会出错。

4 限制

但Singleton的模式还是有限制的

1 因为采用private constructor，所以Singleton是不能被继承的。

2 如果应用是在容器中运行，就要小心，因为servlet可能在被几个classloader加载，同时有几个Singleton实例存在。

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个Singleton实例存在。关于序列化见此文。

5 结论

所以就算是看起来最简单的设计模式也有这么多变数，一不小心就可能落入陷阱。不过当你知道陷阱在哪，也就能避免掉进去了。

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