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Tantan Fu

Dec 05, 2014

单态设计模式

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。

应用

Singleton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。

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 1constructor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 synchronized  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)
      synchronized(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
1 分配内存
2 构造函数初始化
3 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：
1 分配内存
2 将对象的reference赋值给instance
3 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。
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。

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。
  1. 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。
  1. 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。

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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