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前言

“设计模式的重要性不用我多说，如果你想成为优秀的 Android 工程师，设计模式是必须要掌握的。” —— 《 Android 进阶之光 》 

好了好了，我知道设计模式很重要了，我学还不行吗！

可是，我从哪个设计模式开始呢？那就单例吧，单例谁还能不会啊？嘿嘿！

然后，我翻开落了一层土的书：

《Android 进阶之光》《Android源码设计模式解析与实战》《HeadFirst设计模式》《大话设计模式》……(枪法不行，枪贼多！)

单例模式的实现方式有：饿汉模式、线程不安全的懒汉模式、线程安全的懒汉模式、DCL、静态内部类、枚举、容器。

What the fuck！小小的单例模式竟然有 7 种写法？！

还要牵扯“DCL失效问题”、“可序列化单例类的反序列化问题”？

没事，枪法不行，枪多来凑，弄他！

练枪，从认识枪开始

先看看定义：

单例模式用来保证一个类只有一个实例，自行实例化此实例，并提供一个访问此实例的全局访问点。

贴一下单例模式的 UML 类图，实际上就一个类。

打枪姿势

   1、饿汉模式

先贴代码：

public class Singleton {
    
    private static Singleton instance = new Singleton();

    // 私有构造，不允许外部通过构造实例化 Singleton.class
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

这种写法被称为“饿汉模式”，可我感觉，完全饿不到啊！

我们知道，类的加载是由 Java 虚拟机在初始化应用程序时完成的，而类加载时，会立刻执行静态代码（此处有误，回复“类加载机制”获取正解）。

也就是说，只要 Java 虚拟机启动了应用程序，Singleton 类就会被实例化，不管 Singleton 类会不会被用到 —— 不管你吃不吃，饭都在那里。

所以说，我们可以总结出来，饿汉模式的单例模式有以下几个特征：

• 1、类加载时还要进行实例化，导致类加载速度变慢，但获取对象时速度很快；

• 2、没有实现懒加载，如果从始至终未使用此类，却默认进行实例化，会造成内存的浪费；

• 3、由于类的加载是在 Java 虚拟机初始化应用程序时完成的，这时候应用程序实际还未启动，且一个类只会加载一次。这就避免了多线程下的同步问题，也就是说，是线程安全的。

后续的各种单例模式的写法，都是基于饿汉模式发展而来，大家理解了饿汉模式的上述特征的话，后续的各种写法的理解就是水到渠成了。

   2、懒汉模式（线程不安全）

先贴代码：

public class Singleton {
    
    private static Singleton instance;

    // 私有构造，不允许外部通过构造实例化 Singleton.class
    private Singleton() {
    }

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

}

大家可以很容易的发现，与饿汉模式相比，懒汉模式最大的改进是实现了懒加载。

也就是说，此类不用就不加载，用的话在第一次调用时会进行实例化。所以说，可以节省内存资源。

另外，大家还要注意的是，在多线程的情况下，此种写法有可能产生两种问题：

• 1、创建了多个实例，就违背了单例模式的初衷；

• 2、多线程的安全性问题，可能导致严重的后果，后文讲“DCL失效问题”时会一起聊。

众所周知，移动端的应用程序高并发的情况较少，所以这种写法的单例模式实际上是可以用的，只是确实没有后续的写法优秀。

   3、懒汉模式（线程安全）

既然上一种写法的懒汉模式最大的问题是线程不安全，那咱们就来解决下这个问题。

public class Singleton {
    
    private static Singleton instance;

    // 私有构造，不允许外部通过构造实例化 Singleton.class
    private Singleton() {
    }

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

}

很简单，给 getInstance() 方法加了同步锁 synchronized 。

然而事实是，这种写法是最不建议的用法。因为无论是不是多线程的环境，每次调用 getInstance() 方法都要进行同步，造成了不必要的同步开销。

   4、双重检查模式（DCL）

这种写法就很优秀了，不过也存在一些问题，先看代码吧。

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    // 私有构造，不允许外部通过构造实例化 Singleton.class
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        // 10行
        if (instance == null) {
            // 11行
            synchronized (Singleton.class) {
                // 12行
                if (instance == null) {
                    // 13行
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

咱们看这段代码 12 ~ 14 行，自然会为了实现懒加载；

而代码 11 行，则是为了解决懒加载的线程不安全的问题；

亮点在代码 10 行，在进行同步前，先判空，如果类已经实例化，则不再进行同步，解决了每次调用 getInstance() 方法都要同步造成的不必要的同步开销问题。

综上，DCL 的写法一下子解决了上述 3 种单例模式写法的所有问题。

那 DCL 的写法存在的问题是什么呢？

DCL 失效问题（划重点）！

看代码 13 行 instance = new Singleton() ，我们都知道，这是一条非原子操作，拆分来看的话，大致分为三个步骤：

• 1、给 Singleton 的实例分配内存空间；

• 2、调用 Singleton 的构造函数，初始化其成员变量；

• 3、将 instance 对象指向分配的内存空间（此时，instance 就不是 null 了）。

由于 Java 编译器允许处理器乱序执行（原因一），以及在 JDK 1.4 及 1.4 之前，JMM（Java Memory Model） 中 Cache、寄存器到主内存回写顺序的规定（原因二），导致上述  2、3 步骤顺序无法保证，也就是说执行的顺序可能是 1-2-3，或者是 1-3-2。

1-2-3 的执行顺序没什么问题，我们来关注下 1-3-2 的执行顺序：

假设线程 A 正在对 Singleton 进行实例化，执行了步骤 1 和 3，还没有执行 2；

这时候线程 B 进来了，判断 instance 不是 null，就取走了 instance 进行使用；

可是 Singleton 的构造函数都还没执行，成员变量也没有初始化，成员变量的指向实际上还是 null 的，就出错了。

这就是 DCL 的失效问题，也是前面提及的 “线程不安全的懒汉模式” 中可能会出现的严重后果。

那怎么解决 DCL 的失效问题呢？

在 JDK 1.4 及 1.4 以前，无解。好在现在基本也不同这么低版本的 JDK 了。

在 JDK 1.5 及 1.5 以后，我们可以在上述代码第 3 行 声明 instance 属性时加入关键字 volatile ，就可以保证 instance 对象每次都是从主内存中读取到的。

  private static volatile Singleton instance;

我们来简单解释一下：

在 JMM（Java Memory Model） 中，有主内存与工作内存的区分，一般声明的变量会在主内存中存在，并在工作内存中存在其一个拷贝。当工作内存对变量的拷贝进行修改时，会从工作内存同步到主内存。

可是当对变量进行非原子性操作时，变量从工作内存到主内存的同步也是非原子性操作，在多线程的情况下，如果存与取同时发生，就会出现线程不安全的问题。

而 volatile 关键字，具备 “有序性” 和 “可见性” 的特性。

• 有序性

  禁止指令重排序，解决导致 DCL 失效的原因一；

• 可见性

  当某一工作内存对变量的拷贝进行修改时，会立即同步到主内存，同时将所有工作内存中的变量的拷贝置为无效状态，则其他工作内存要取用此变量时就要从主内存中同步过来，解决导致 DCL 失效的原因二。

这样， volatile 关键字在 JDK >= 1.5 时可以解决 DCL 失效的问题。

我们知道，使用同步锁 synchronized 进行同步操作是比较耗费资源的，volatile 虽然要比 synchronized 节俭一些，不过还是对性能有所损耗，那有没有更优秀的单例模式写法呢？

有的，往下看吧！

   5、使用静态内部类实现单例

这种写法可以说优秀了，先看下代码吧。

public class Singleton{
    private Singleton(){
    }

    public static Singleton getInstance(){
        // 6行
        return SingletonHelper.instance;
    }

    // 9行
    private static class SingletonHelper{
        private final static Singleton instance = new Singleton();
    }

}

要搞懂这种模式，首先要搞懂 “饿汉模式”，咱们一起来理解下吧。

看这段代码 9 ~ 11 行，静态内部类 SingletonHelper 中的静态属性 instance 是随着 SingtonHelper 的加载而加载的，也就是说一旦静态内部类 SingletonHelper 加载，就会对 Singleton 类进行实例化 ；

那问题来了，静态内部类 SingletonHelper  什么时候加载呢？

静态内部类不同于静态属性，不会随着宿主类（Singleton）的加载而加载，是在第一次调用静态内部类的时候再由 Java 虚拟机进行加载（代码第 6 行），这样就避免了多线程的同步问题。

同时，这种写法也实现了懒加载，如果不调用 getInstance() 方法，就不会调用静态内部类对 Singleton 进行实例化。

可序列化的单例类的反序列化问题

以上，我们一起分析了 5 种单例模式的写法，实际上他们都存在一个相同的问题：可序列化的单例类的反序列化问题。

这样，我们通过序列化可以将单例类的实例对象写到磁盘，然后再读回来，即进行反序列化，就可以得到此单例类的一个实例。即使构造函数是私有的，也是有办法获得单例类的一个新的实例的。

那怎么解决此问题呢？两种方案：

方案 1、利用类中可用的一个私有的钩子函数 readResolve() ，用来控制类的反序列化。看下代码示例吧。

import java.io.ObjectStreamException;
import java.io.Serializable;

public class Singleton implements Serializable{

    private static final long serialVersionUID = 0L;

    private static volatile Singleton instance;

    // 私有构造，不允许外部通过构造实例化 Singleton.class
    private Singleton() {
    }

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

    // 钩子函数，用来控制类的反序列化操作
    // 26行
    private Object readResolve() throws ObjectStreamException {
        return instance;
    }

}

看这段代码 26 ~ 28 行，通过此钩子函数，当对类进行反序列化时，返回我们的单例的实例 instance ，就避免了反序列化时创建新实例的问题。

方案 2：就是下面咱们要说的第 6 种实现单例模式的写法：枚举模式。

   6、使用枚举实现单例

我们知道，枚举在 Java 中与普通的类是一样的，可以有自己的属性，还可以有自己的方法，最重要的是，枚举实例的创建是线程安全的，并且在任何情况下它都是一个单例（包括反序列化）。

让我们来看下代码示例吧。

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    
    public void someMethod(){
    
    }
}

哈哈哈，有没有被惊掉下巴？

没错，枚举实现单例的代码就是这么简单！

那怎么获得枚举实现的单例类的实例呢？也是十分简单。

Singleton instance = Singleton.INSTANCE;

秀啊！一枝独秀！

   7、使用容器实现单例

这算是一种比较另类的写法了。还是先来看代码示例，至于这种写法的优劣，请各位自己评判吧。

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class SingletonManager {

 // 存储单例类的容器
    private static Map<String, Object> mSingletonMap = new HashMap<>();

    // 不需要对此 单例管理类 进行实例化
    private SingletonManager() {
    }

    // 向容器中注册单例类
    public static void registerSingleton(String key, Object instance) {
        if (!mSingletonMap.containsKey(key)) {
            mSingletonMap.put(key, instance);
        }
    }

    // 从容器中获取单例类
    public static Object getSingleton(String key) {
        return mSingletonMap.get(key);
    }
}

在程序初始化时，会将多种单例类型的对象注入到容器中，当需要使用时通过 key 从容器中取出相应的单例类型的对象。

这种写法，很明显可以很好对单例类型进行统一管理，存取操作对用户是透明且低耦合的，问题是容器中初始的单例类型会消耗资源，无论是否会被用到。

在 Android 系统中，系统级别的服务用的就是这种方案，如 AMS、WMS、LayoutInflater 等服务，会在合适的时候以单例的形式注册到系统中，当需要调用相应服务的时候，会通过 Context.getSystemService(String name) 获取。

总结

至此，本文要介绍的 7 种单例模式的写法就介绍完了。

无论是哪种实现方式，核心原理都是首先将构造函数私有化，然后通过静态方法得到相应类的实例。

至于选用哪一种，大家要根据相应单例类的应用场景决定，比如是否是高并发环境、JDK 版本是否 >= 1.5、单例类的实例对资源的消耗情况、对单例类实例的取用频率等。

   单例模式的使用场景

单例的模式的应用范围很广，具体的使用场景有以下几个：

• 整个项目需要一个共享访问点或者需要共享数据；

• 创建相应对象需要耗费大量资源，如 I/O 操作、数据库连接等；

• 工具类对象等。

参考

• 《Android源码设计模式解析与实战》
• 《Android进阶之光》
• 《HeadFirst 设计模式》
• 《大话设计模式》