前言
HI，歡迎來到《每周一博》。今天是十月第五周，我給大家簡單介紹一下單例模式。
單例模式是最簡單的模式，也是應用最廣的模式之一。有時整個系統只需要一個全局對象，這樣有利于協調系統整體的行為，比如硬件資源，數據庫等，這種不能由用戶自由創建對象的場景，就適合使用單例模式。
單例設計模式的優點：
- 在內存中只有一個實例，減少了內存開支，尤其是當一個對象需要頻繁創建銷毀，并且創建或銷毀時性能無法優化，單例模式的優勢就非常明顯；
- 單例模式只生成了一個實例，減少了系統性能開銷，當一個對象的產生需要較多資源時，如讀取配置，產生其他依賴對象時，可以通過應用啟動時直接產生一個單例對象，然后永久駐留內存的方式來解決；
- 單例模式可以避免對資源的多重占用，比如避免對同一個文件同時進行寫操作；
- 單例模式可以在系統設置全局的訪問點，優化和共享資源訪問，比如設計一個單例類，負責所有數據表的映射處理，安卓源碼的系統服務就是這么用的；
單例設計模式的缺點：
- 沒有抽象層接口，擴展困難，只能修改代碼，不適用于變化對象；
- 如果持有Context引用要使用Application Context，否則會造成內存泄漏；
實現單例模式需要注意的地方：
A. 保證構造函數是私有的；
B. 對外提供一個靜態方法來返回對象；
C. 要保證線程安全；
D. 反序列化也要保證對象唯一；
單例模式的實現主要有3種：
- 餓漢式：
直接創建對象
// 直接創建靜態變量
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton(){}
public static synchronized Singleton getInstance(){
return instance;
}
}
// 或者通過靜態初始化塊
public class Singleton {
private static Singleton instance ;
static {
instance = new Singleton();
}
private Singleton(){}
public static synchronized Singleton getInstance(){
return instance;
}
}
優點：實現簡單，線程安全；
缺點：不管該類有沒有用到都會創建對象，消耗資源
- Double CheckLock：
線程安全的懶漢式，對象需要時才進行創建
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton(){}
public static synchronized Singleton getInstance(){
if(instance == null){
synchronized (Singleton.class){
if(instance ==null){
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
該實現方式會增加同步鎖來保證線程安全，注意先判空，再同步鎖，再判空，這樣就能夠做到效率和安全的雙重保證。那么為什么要進行2次判空呢？
new一個對象并不是一個原子操作，它會編譯成多條匯編指令，主要做了3件事：
- 給對象實例分配內存；
- 調用構造函數，初始化成員字段；
- 將對象紙箱分配的內存空間，此時對象就不是null了；
由于Java編譯器允許處理器亂序執行，所以第2步和第3步的先后順序是不確定的，當兩個線程同時到達后就可能會創建2個實例。
Java語言提供了一種稍弱的同步機制，即volatile變量，用來確保將變量的更新操作通知到其他線程。當把變量聲明為volatile類型后，編譯器與運行時都會注意到這個變量是共享的，因此不會將該變量上的操作與其他內存操作一起重排序。volatile變量不會被緩存在寄存器或者對其他處理器不可見的地方，因此在讀取volatile類型的變量時總會返回最新寫入的值。
在訪問volatile變量時不會執行加鎖操作，因此也就不會使執行線程阻塞，因此volatile變量是一種比sychronized關鍵字更輕量級的同步機制。
- 靜態內部類：
利用靜態類只會加載一次的機制，使用靜態內部類持有單例對象，達到單例的效果
public class Singleton {
private Singleton(){}
public static synchronized Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.instance;
}
private static class SingletonHolder{
private static Singleton instance = new Singleton();
}
}
靜態內部類的優點：
外部類加載時并不需要立即加載內部類，內部類不被加載則不去初始化instance，故而不占內存。即當SingleTon第一次被加載時，并不需要去加載SingletonHolder，只有當getInstance()方法第一次被調用時，才會去初始化instance,第一次調用getInstance()方法會導致虛擬機加載SingletonHolder類，這種方法不僅能確保線程安全，也能保證單例的唯一性，同時也延遲了單例的實例化。由于不用同步鎖機制，性能也會有所提升。
那靜態內部類又是如何實現線程安全的呢？我們先了解下類的加載時機。JAVA虛擬機在有且僅有的5種場景下會對類進行初始化：
- new一個關鍵字或者一個實例化對象；
讀取或設置一個靜態字段時(final修飾，已在編譯期把結果放入常量池的除外)；
調用一個類的靜態方法時； - 對類進行反射調用的時候，如果類沒進行初始化，需要先調用其初始化方法進行初始化；
- 初始化一個類時，如果其父類還未進行初始化，會先觸發其父類的初始化；
- 當虛擬機啟動時，用戶需要指定一個要執行的主類(包含main()方法的類)，虛擬機會先初始化這個類；
- 當使用動態語言支持時，如果一個MethodHandle實例最后的解析結果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且這個方法句柄所對應的類沒有進行過初始化，則需要先觸發其初始化；
這5種情況被稱為是類的主動引用，除此之外的所有引用類都不會對類進行初始化，稱為被動引用，靜態內部類就屬于被動引用的行列。
我們再看getInstance()方法，取的是SingletonHolder里的instance對象，跟上面那個DCL方法不同的是，getInstance()方法并沒有多次去new對象，故不管多少個線程去調用getInstance()方法，取的都是同一個instance對象，而不用去重新創建。當getInstance()方法被調用時，SingletonHolder才在SingletonHolder的運行時常量池里，把符號引用替換為直接引用，這時靜態對象instance也真正被創建，然后再被getInstance()方法返回出去。那么instance在創建過程中又是如何保證線程安全的呢？
虛擬機會保證一個類的clinit方法在多線程環境中被正確地加鎖、同步，如果多個線程同時去初始化一個類，那么只會有一個線程去執行這個類的clinit方法，其他線程都需要阻塞等待，直到活動線程執行clinit方法完畢。如果在一個類的clinit方法中有耗時很長的操作，就可能造成多個進程阻塞（需要注意的是，其他線程雖然會被阻塞，但如果執行clinit方法后，其他線程喚醒之后不會再次進入clinit方法。同一個加載器下，一個類型只會初始化一次)，在實際應用中，這種阻塞往往是很隱蔽的。
故而，可以看出INSTANCE在創建過程中是線程安全的，所以說靜態內部類形式的單例可保證線程安全，也能保證單例的唯一性，同時也延遲了單例的實例化。
靜態內部類實現的缺點：
傳遞參數問題，由于是靜態內部類的形式去創建單例的，故外部無法傳遞參數進去，所以，我們創建單例時，可以在靜態內部類與DCL模式下權衡。
最后總結：
以上三種實現方式都是可以達到線程安全的效果，我們推薦使用靜態內部類的方式，另外還有枚舉也可以實現單例，它不僅能避免多線程同步問題，而且還能防止反射或反序列化重新創建新的對象，但是安卓官方不推薦，因為內存消耗是靜態常量的兩倍。
public enum EnumMode {
INSTANCE;
}
上述三種實現方式都需要考慮到反序列化的問題，如果Singleton實現了Serializable接口，那么這個類的實例就可能被序列化和復原。不管怎樣，如果序列化一個單例類的對象，那么復原多個之后就會有多個單例類的實例，因為需要重寫readResolve()方法，在該方法里返回instance，防止反序列化得到多個對象。
private Object readResolve(){
return instance;
}
結尾：
本周給大家簡單介紹了單例模式的常見三種實現方式，其中雙重鎖和靜態內部類兩種方式涉及到了Java虛擬機創建對象的過程，這些內容還需要深入了解下。感謝大家的閱讀，我們下周再見。
