Android設計模式之單例模式的七種寫法

Android設計模式之單例模式的七種寫法

一 單例模式介紹及它的使用場景

單例模式是應用最廣的模式，也是我最先知道的一種設計模式，在深入了解單例模式之前，每當遇到如：getInstance（）這樣的創建實例的代碼時，我都會把它當做一種單例模式的實現。其實經常使用的圖片加載框架ImageLoader的實例創建就是使用了單例模式，因為這個ImageLoader中含有線程池、緩存系統、網絡請求，很消耗資源，不應該創建多個對象，這時候就需要用到單例模式。

ImageLoader的創建代碼如下：

ImageLoader.getInstance();// 在自己的Application中創建全局實例
.....
//getInstance()執行的源碼
 public static ImageLoader getInstance() {
        if(instance == null) {//雙重校驗DCL單例模式
            Class var0 = ImageLoader.class;
            synchronized(ImageLoader.class) {//同步代碼塊
                if(instance == null) {
                    instance = new ImageLoader();//創建一個新的實例
                }
            }
        }
        return instance;//返回一個實例
    }

因此，在我們創建一個對象需要消耗過多的資源時，便可以考慮使用單例模式。

二 單例模式的結構圖以及創建的關鍵點？

單例模式的定義是它應該保證一個類僅有一個實例，同時這個類還必須提供一個訪問該類的全局訪問點。如下圖是單例模式的結構圖：

實現單例模式有以下幾個關鍵點：
（1）其構造函數不對外開放，一般為private；
（2）通過一個靜態方法或者枚舉返回單例類對象；
（3）確保單例類的對象有且只有一個，尤其要注意多線程的場景；
（4）確保單例類對象在反序列化時不會重新創建對象；

通過將單例類的構造函數私有化，使得客戶端不能通過new的形式手動構造單例類的對象。單例類會主動暴露一個公有的靜態方法，客戶端調用這個靜態的方法獲取到單例類的唯一實例。在獲取這個單例類的時候需要確保這個過程是線程安全的。

三 單例模式的七種實現方式

（1）懶漢式（線程不安全）

//懶漢式單例類.在第一次調用的時候實例化自己   
public class Singleton {  
    //私有的構造函數
    private Singleton() {} 
    //私有的靜態變量 
    private static Singleton single=null;  
    //暴露的公有靜態方法   
    public static Singleton getInstance() {  
         if (single == null) {    
             single = new Singleton();  
         }    
        return single;  
    }  
}

懶漢式（線程不安全）的單例模式分為三個部分：私有的構造方法，私有的全局靜態變量，公有的靜態方法。

其中起到重要作用的是靜態修飾符static關鍵字，我們知道在程序中，任何變量或者代碼都是在編譯時由系統自動分配內存來存儲的，而所謂靜態就是指在編譯後所分配的內存會一直存在，直到程序退出內存才會釋放這個空間，因此也就保證了單例類的實例一旦創建，便不會被系統回收，除非手動設置為null。

這種方式創建的缺點是存在線程不安全的問題，解決的辦法就是使用synchronized 關鍵字，便是單例模式的第二種寫法了。

（2）懶漢式（線程安全）

public class Singleton {  
    //私有的靜態變量
    private static Singleton instance;  
    //私有的構造方法
    private Singleton (){}；
    //公有的同步靜態方法
    public static synchronized Singleton getInstance() {  
    if (instance == null) {  
        instance = new Singleton();  
    }  
    return instance;  
    }  
}  

這種單例實現方式的getInstance（）方法中添加了synchronized 關鍵字，也就是告訴Java（JVM）getInstance是一個同步方法。

同步的意思是當兩個並發線程訪問同一個類中的這個synchronized同步方法時， 一個時間內只能有一個線程得到執行，另一個線程必須等待當前線程執行完才能執行，因此同步方法使得線程安全，保證了單例只有唯一個實例。

但是它的缺點在於每次調用getInstance（）都進行同步，造成了不必要的同步開銷。這種模式一般不建議使用。

（3）餓漢模式（線程安全）
代碼實現如下：

//餓漢式單例類.在類初始化時，已經自行實例化   
public class Singleton {  
    //static修飾的靜態變量在內存中一旦創建，便永久存在
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
    return instance;  
    }  
} 

餓漢式在類創建的同時就已經創建好一個靜態的對象供系統使用，以後不再改變，所以天生是線程安全的。其中instance=new Singleton()可以寫成：

 static {  
    instance = new Singleton();  
    }  

屬於變種的餓漢單例模式，也是基於classloder機制避免了多線程的同步問題，instance在類裝載時就實例化了。

（4）DCL雙重校驗模式

public class Singleton {  
    private static Singleton singleton;  //靜態變量
    private Singleton (){}  //私有構造函數
    public static Singleton getInstance() {  
      if (singleton == null) {  //第一層校驗
          synchronized (Singleton.class) {  
          if (singleton == null) {  //第二層校驗
              singleton = new Singleton();  
          }  
        }  
      }  
    return singleton;  
    }  
}  

這種模式的亮點在於getInstance（）方法上，其中對singleton 進行了兩次判斷是否空，第一層判斷是為了避免不必要的同步，第二層的判斷是為了在null的情況下才創建實例。具體我們來分析一下：

假設線程A執行到了singleton = new Singleton(); 語句，這裡看起來是一句代碼，但是它並不是一個原子操作，這句代碼最終會被編譯成多條匯編指令，它大致會做三件事情：
（a）給Singleton的實例分配內存
（b）調用Singleton（）的構造函數，初始化成員字段；
（c）將singleton對象指向分配的內存空間（即singleton不為空了）；

但是由於Java編譯器允許處理器亂序執行，以及在jdk1.5之前，JMM（Java Memory Model：java內存模型）中Cache、寄存器、到主內存的回寫順序規定，上面的步驟b 步驟c的執行順序是不保證了。也就是說執行順序可能是a-b-c，也可能是a-c-b,如果是後者的指向順序，並且恰恰在c執行完畢，b尚未執行時，被切換到線程B中，這時候因為singleton在線程A中執行了步驟c了，已經非空了，所以，線程B直接就取走了singleton，再使用時就會出錯。這就是DCL失效問題。
但是在JDK1.5之後，官方給出了volatile關鍵字，將singleton定義的代碼改成：

private volatile static Singleton singleton;  //使用volatile 關鍵字

這樣就解決了DCL失效的問題。

（5）靜態內部類單例模式

public class Singleton {  
    private Singleton (){} ;//私有的構造函數
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
    //定義的靜態內部類
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  //創建實例的地方
    }  
}  

當第一次加載Singleton 類的時候並不會初始化INSTANCE ，只有第一次調用Singleton 的getInstance（）方法時才會導致INSTANCE 被初始化。因此，第一次調用getInstance（）方法會導致虛擬機加載SingletonHolder 類，這種方式不僅能夠確保單例對象的唯一性，同時也延遲了單例的實例化。

（6）枚舉單例

前面的幾種單例模式實現方式，一般都會稍顯麻煩，或是在某些特定的情況下出現一些狀況。下面介紹枚舉單例模式的實現：

public enum Singleton {  //enum枚舉類
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  

    }  
}

枚舉單例模式最大的優點就是寫法簡單，枚舉在java中與普通的類是一樣的，不僅能夠有字段，還能夠有自己的方法，最重要的是默認枚舉實例是線程安全的，並且在任何情況下，它都是一個單例。即使是在反序列化的過程，枚舉單例也不會重新生成新的實例。而其他幾種方式，必須加入如下方法：

private Object readResolve()  throws ObjectStreamException{
    return INSTANCE;
}

才能保證反序列化時不會生成新的對象。

（7）使用容器實現單例模式
除了上述幾種常見的實現單例的方式，還有另一類的實現，代碼如下：

public class SingletonManager { 
　　private static Map objMap = new HashMap();//使用HashMap作為緩存容器
　　private Singleton() { 
　　}
　　public static void registerService(String key, Objectinstance) {
　　　　if (!objMap.containsKey(key) ) {
　　　　　　objMap.put(key, instance) ;//第一次是存入Map
　　　　}
　　}
　　public static ObjectgetService(String key) {
　　　　return objMap.get(key) ;//返回與key相對應的對象
　　}
}

在程序的初始，將多種單例模式注入到一個統一的管理類中，在使用時根據key獲取對應類型的對象。

在Android源碼中，APP啟動的時候，虛擬機第一次加載該類時會注冊各種ServiceFetcher，比如LayoutInflater Service。將這些服務以鍵值對的形式存儲在一個HashMap中，用戶使用時只需要根據key來獲取到對應的ServiceFetcher，然後通過ServiceFetcher對象的getService函數獲取具體的服務對象。當第一次獲取時，會調用ServiceFetcher的creatService函數創建服務對象，然後將該對象緩存到一個列表中，下次再取時直接從緩存中獲取，避免重復創建對象，從而達到單例的效果。Android中的系統核心服務以單例形式存在，減少了資源消耗。

總結：不管以哪種形式實現單例模式，它們的核心原理是將構造函數私有化，並且通過靜態公有方法獲取一個唯一的實例，在這個獲取的過程中必須保證線程的安全，同時也要防止反序列化導致重新生成實例對象。