设计模式03------单例模式

参考文献：《Java与模式》

作为对象的创建模式，单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类。

一. 单例模式的要点

显然单例模式的要点有3个：

某个类只能有一个实例
它必须自行创建这个实例
它必须自行向整个系统提供这个实例

二. 单例模式分类

1. 饿汉式单例类

它是在Java语言里实现起来最为简便的单例类。

public class EagerSingleton {
    
    private static final EagerSingleton instance=new EagerSingleton();
    
    /**
     * 私有的默认构造器
     */
    private EagerSingleton() {}
    
    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static EagerSingleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

说明：这个类被加载时，静态变量instance会被初始化，此时类的私有构造器会被调用。这个时候，单例类的唯一实例就被创建出来了。

因为构造器是私有的，因此该类是不可以被继承的。

2. 懒汉式单例类

与饿汉式单例类不同的是，懒汉式在第一次被引用时将自己实例化。如果加载器是静态的，那么在懒汉式类被加载时不会将自己实例化。

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance=null;
    /**
     * 私有构造器
     */
    private LazySingleton() {}
    /**
     * 静态工厂方法，返回此类的唯一实例
     */
    synchronized public static LazySingleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            instance=new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }

}

说明：在上面给出的懒汉式单例类中对静态工厂使用了同步化，以处理多线程环境。有些设计师在这里建议使用所谓的”双重检查成例“。必须指出的是，”双重检查成例“不可以在Java语言中使用。

饿汉式相比懒汉式，它的资源利用效率差一些，但是速度和反应时间上却很快。懒汉式在实例化时，必须处理好在多个线程同时首次引用此类时的访问限制问题，特别时当单例类作为资源控制器在实例化时必然涉及资源初始化，而资源初始化很可能耗费时间。这意味着出现多线程同时首次引用此类的几率变得较大。

3.登记式单例类

这个类是为了克服前两种不可以被继承的缺点而设计的。

public class RegSingleton {
    static private HashMap registry=new HashMap();
    static {
        RegSingleton instance=new RegSingleton();
        registry.put(instance.getClass().getName(), instance);
    }
    /**
     * 保护的默认构造器
     */
    protected RegSingleton() {}
    /**
     * 静态工厂方法，返回此类的唯一的实例
     */
    public static RegSingleton getInstance(String name) {
        if(name==null) {//key is null
            name="com.test.b.RegSingleton";
        }
        if(registry.get(name)==null) {//value is null
            try {
                registry.put(name, Class.forName(name).newInstance());//利用的反射机制，创造一个单利对象加入registry
            }catch (Exception e) {
                System.out.println("Error happend");
            }
        }
        return (RegSingleton) registry.get(name);
    }
    
    /**
     * 一个示意性的商业方法
     */
    public String about() {
        return "Hello, I am RegSingleton";
    }

}

它的子类RegSingletonChild需要父类的帮助才能实例化。

public class RegSingletonChild extends RegSingleton{
    public RegSingletonChild() {}
    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static RegSingletonChild getInstance() {
        return (RegSingletonChild) RegSingleton.getInstance("com.test.b.RegSingletonChild");
    }

    /**
     * 一个示意性的商业方法
     */
    public String about() {
        return "Hello, I am RegSingletonChild";
    }
}

缺点：父类的实例必须存在才可能有子类的实例

三. 双重检查成例的研究

双重检查成例（Double Check Idiom）是从C语言移植过来的一种代码模式。具体分析如下：

1. 未使用任何线程安全考虑的错误例子

首先考虑一个单线程的版本，代码如下：

public class Foo {
    private Helper helper=null;
    public Helper getHelper() {
        if(helper==null) {
            helper=new Helper();
        }
        return helper;
    }
}

说明：这是一个错误的例子。写出这样的代码，本意显然是要保证在整个JVM中只有一个Helper的实例。因此，才会有if(helper==null)的检查。非常明显的是，如果在多线程的环境中运行，上面的代码会有两个甚至两个以上的helper对象被创建出来，从而造成错误。想象一下在多线程中的情况。假设两个线程A和B几乎同时到达if(helper==null)语句的外面，假设A稍微比B早一点点,则：

2. 线程安全的版本

public class Foo {
    private Helper helper=null;
    public synchronized Helper getHelper() {
        if(helper==null) {
            helper=new Helper();
        }
        return helper;
    }
}

3. 画蛇添足的”双重检查“

仔细审查上面的正确答案会发现，同步化实际上只是在helper变量第一次被赋值之前才有用。在helper变量有了值以后，同步化实际上变成了一个不必要的瓶颈。如果有一个方法减去这个小小的额外开销，不是更加完美吗？所以”双重检查“来了，它是反面教材，在Java编译器里面无法实现。

public class Foo {
    private Helper helper=null;
    public Helper getHelper() {
        if(helper==null) {//第一次检查（位置1）
            //这里会有多余一个的线程同时到达（位置2）
            synchronized (this) {
                //这里在每个时刻只能有一个线程（位置3）
                if(helper==null) {//第二次检查（位置4）
                    helper=new Helper();
                }
            }            
        }
        return helper;
    }
}

这是错误的例子：因为Java编译器并不支持这种双重机制。为什么呢？

不能工作的根本原因在于，在Java编译器中，LazySingleton类的初始化与m_instance变量赋值的顺序不可预料。如果一个线程在没有同步化的条件下读取m_instance引用，并调用这个对象的方法的话，可能会发现对象的初始化过程尚未完成，从而造成崩溃。因此，双重检查成立对Java语言来说是不成立的。