二十三种设计模式之单例模式

单例模式 - Singleton

目的：保证一个类只有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点（无论在系统中哪个地方调用它，都是同一个实例对象）

1.单例模式是如何实现单例功能的？

根据饱汉、饿汉、双锁模式的书写方式，主要是两个重点

static修饰全局变量Singleton:实现类加载时创建变量Singleton，谁都可以引用Singleton该类。
私有构造器private Singleton(){}:杜绝每次引用都构造一个新的对象，不允许使用new来创建对象。

2.双锁机制中volatile的作用

在java内存模型中，volatile关键字作用可以是保证可见性或者禁止指令重排。这里是因为singleton = new Singleton()，它并非是一个原子操作，事实上，在JVM只不过上述语句至少做了一下三件事：

给singleton分配内存空间；
开始调用singleton的构造函数等来初始化singleton；
将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步singleton就不是null了）。

这里要注意123的顺讯，因为存在指令重排序的优化，也就是收23的顺序是不能保证的，最终的执行顺序，可能是1-2-3，也有可能是1-3-2.

如果是132，那么在3执行完以后，singleton就不是null了，可是这时2并没有执行，singleton对象未完成初始化，他的属性的值可能不是我们所预期的值。假设此时2进入getInstance方法，由于singleton已经不是null了，所以会通过第一重检查并直接返回，但其实这时的singleton并没有完成初始化，所以使用这个实例的时候会报错。

3.为什么饿汉模式-不加锁的情况下是非线程安全的？

计算机CPU的使用的分时间段使用的，当如下情况：

public static Singleton getInstance(){
    if(s1 == null){
        s1 = new Singleton();
    }
    return s1;
}

当线程a运行到第二行判断s1 == null时，此时没有Singleton对象，判断结束，线程a的时间用完了，开始跑线程b。
当线程b运行到第二行判断s1 == null，此时也没有Singleton对象，且线程b还有时间，执行了第三行创建了一个Singleton对象。当线程b时间用完了，又开始跑线程a。
此时线程a已经执行了第二行，且判断结果为：没有Singleton对象，故线程a又执行第三行创建了一个Singleton对象。

所以，多线程的情况下，可能生成两个对象。

4.生成的单例对象，如果一直没有被引用，会被GC清除吗？

垃圾收集算法使用根搜索算法。这个算法的基本思想是：对任何活的对象，一定能最终追溯到其存活在堆栈或静态存储区之中的引用。通过一系列名为根的引用作为起点，从这些根开始搜索，经过一系列的路径，如果可以达到java堆中的对象，那么这个对象就是活的，是不可回收的。可以作为根的对象有：

虚拟机栈中引用的对象。
方法区中的类静态属性引用的对象。
方法区中的常量引用的对象。
本地方法栈中JNI的引用的对象。

方法区是JVM的一块内存区域，用来存放类相关的信息。很明显，java中单例模式创建的对象被自己类中的静态属性所引用，符合第二条，因此，单例对象不会被jvm垃圾收集。

单例类本身如果长时间不用会不会被回收？如果单例类被收集，那么堆中的对象就会失去到根的路径，必然会被垃圾收集掉，jvm卸载类的判定条件如下：

该类所有的实例都已经被回收，也就是java堆中不存在该类的任何实例。
加载该类的ClassLoader已经被回收。
该类对应的java.lang.Class对象没有任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

只有三个条件都满足，jvm才会在垃圾收集的时候卸载类。显然，单例的类不满足条件一，所以不会被回收。根据搜索算法，对象是否被垃圾收集与未被使用时间长短无关，仅仅在于这个对象是不是活的。

综上所述：堆中存在对象，且该对象是方法区中的类静态属性引用的对象。那么堆中的对象不会被回收。

六种单例模式的书写

1.懒汉模式 - 线程不安全

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁synchronized，所以严格意义上他并不算单例模式。

//懒汉模式--线程不安全
public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

2.懒汉模式-线程安全

这种范式具备很好的lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99%情况下不需要同步。

优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁synchronized才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance的性能对应用程序不是很关键。

//懒汉模式-线程安全
public class Singleton {
    private static Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

3.饿汉模式

这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。优点是没有加锁，执行效率快。

它基于classloader机制避免了多线程的同步问题，不过，instance在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调getInstance方法，但是也不能确定有其他的方式导致类装载，这时候初始instance显然没有达到lazy loading的效果。

//饿汉模式
public class Singleton {
    private static Singleton singleton = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return singleton;
    }
}

4.双锁模式 DCL double check lock

这种模式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance的性能对应用程序很关键

//双锁模式
public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton() {
    }

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

5.登记式/静态内部类

这种方式能打到双检索方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种范式而不是双检锁方式。这种方式只适合用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。

这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

//登记式/静态内部类
public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    private Singleton() {
    }

    public static final Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

6.枚举模式

这种方式是实现单例模式的最佳方法，它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止对此实例化。

这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

//枚举模式
public enum Singleton {
    INSTANCE;

    public void getMessage() {
        System.out.println("Hello Word 6 !");
    }
}

直接Singleton.INSTANCE获得单例