單態設計模式(Singleton Design Pattern)

1 基本概念

單態模式是設計模式中最為人熟知的也是形式最簡單的。它的基本概念是一個類只生成一個實例。

2 應用

ingleton的應用有很多，譬如對數據庫只能有一個連接，或者對網站的連接數的計數器。

3 幾種形式

基本形式是使用private constructor和一個public的static方法來獲得類的實例。

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。只能通過

Singleton s = Singleton.getInstance(); 來獲得實例，而這個實例因為是static，全局共享一個，所以無論有多少個Singleton s = Singleton.getInstance(); 得到的實例都是同一個。

constructor是private，所以如 Singleton s = new Singleton() 不再可行了。只能通過Singleton s = Singleton.getInstance();來獲得實例，而這個實例因為是static，全局共享一個，所以無論有多少個Singleton s = Singleton.getInstance(); 得到的實例都是同一個。

而Singleton 還有另外一種形式，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的區別在于：

Snippet 1在load class階段就創建對象了;

而Snippet 2只有第一次要實例化的時候才會創建對象。這就是所謂的lazy initialization。

多線程問題

我們來看snippet 2，如果是單線程，沒問題，如果是多線程，問題就出現了，因為兩個線程可以同時進入if(instance == null) 這個判斷語句，所以有可能兩個線程創建兩個實例。

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的問題是在創建了對象之后, instance = new Singleton() 這個語句就再也不會執行了，所以對整個方法進行同步的話效率低下，這樣就有人想出了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

這樣就解決了問題，僅僅對

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

這段代碼進行同步，如果對象已經被創建，就不會進入到第一個if代碼段里面，所以僅僅在第一次創建的時候會進行同步，效率自然高了。現在看來萬無一失了。但問題還沒有這么簡單。

out-of-order write問題，更多相關資料請見： DoubleCheckedLocking

instance = new Singleton();  的順序應該是

分配內存  
構造函數初始化  
將對象的reference賦值給instance 

但因為Java Memory Model的問題，可能出現下面的所謂out-of-order write的問題：

分配內存  
將對象的reference賦值給instance  
構造函數初始化 

也就是還沒對對象初始化，就已經instance != null了，這樣如果另外一個線程這時候對實例進行操作，可能有意想不到的結果。

但仍舊沒有好的辦法可以完全解決這個問題。見 參考一 , 參考二

綜上，采用Snippet 1或者Snippet 3比較安全。Snippet 2和Snippet 4最好在多線程的環境下不要使用，否則可能會出錯。

4 限制

但Singleton的模式還是有限制的

1 因為采用private constructor，所以Singleton是不能被繼承的。

2 如果應用是在容器中運行，就要小心，因為servlet可能在被幾個classloader加載，同時有幾個Singleton實例存在。

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個Singleton實例存在。關于序列化見此文。

5 結論

所以就算是看起來最簡單的設計模式也有這么多變數，一不小心就可能落入陷阱。不過當你知道陷阱在哪，也就能避免掉進去了。

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