数据结构与算法--实现Singleton模式

题目：设计一个类，我们只生成该类的一个实例。

只生成一个实例的类就是实现Singleton（单例）模式的类型。本题其实主要考察我们设计模式，因为面试的时候先来一个简单的，并且喜欢面设计模式相关的题目，而且，在常用的设计模式中，Singleton是比较简单的，而且可以通过简洁的代码来实现。所有Singleton是常见的面试题目。

以下解题思路

由于只生成一个实例，我们可以将构造方法设置成私有构造，使得其他方法无法通过实例创建。我们可以定义一个静态实例，在需要的时候创建该实例，如下思路：

解法一：只适用单线程

//不好解法一
/*** @author liaojiamin* @Date:Created in 10:18 2020/10/27*/
public class Singleton {private Singleton(){}public static Singleton singleton = null;public static Singleton getInstance(){if(null == singleton){singleton = new Singleton();}return singleton;}
}

分析，以上代码是在不考虑并发的情况下的简单单例模式，从下面几点来保证了得到的实例是唯一的：
- 静态实例：带有static关键字的熟悉在每个类中都是唯一的（在class文件被加载到jvm中的准备阶段，方法区为这些类变量进行内存分配，并且进行初始化。比如被static修饰的字段。非static修饰属性会在类实例化时候在对内存中分配存储空间。因此类变了在class文件被加载的时候才有，并不受实例化的影响）
- 私有构造方法限制客户通过实例创建
- 提供getInstance唯一入口
以上代码存在并发问题，用如下方法进行检测：

/*** @author liaojiamin* @Date:Created in 14:44 2020/10/27*/
public class TestSingletonRunnableMain {private Boolean lock;public Boolean getLock() {return lock;}public void setLock(Boolean lock) {this.lock = lock;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Long startTime = System.currentTimeMillis();int num = 100;final CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(num);final Set<String> set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<String>());ThreadFactory nameThreadFactory = new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("nameThreadFactory-01").build();ExecutorService executorService = new ThreadPoolExecutor(100, 100, 1,TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(100), nameThreadFactory, new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());for (int i = 0; i < num; i++) {executorService.execute(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {cyclicBarrier.await();Singleton  singletonThree = Singleton.getInstance();set.add(singletonThree.toString());} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} catch (BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}}});}Thread.sleep(2000);System.out.println("in more thread get singleton");for (String s : set) {System.out.println(s);}executorService.shutdown();}
}
//输出：
//in more thread get singleton
//com.ljm.resource.math.Singleton@53fe75ec
//com.ljm.resource.math.Singleton@4eba943c

解法二：并发安全，但是效率低

/*** @author liaojiamin* @Date:Created in 14:33 2020/10/27*/
public class SingletonOne {private SingletonOne(){}public static SingletonOne singletonOne;public static SingletonOne getInstance(){synchronized (SingletonOne.class){if(null == singletonOne){singletonOne = new SingletonOne();}return singletonOne;}}
}

区别在于获取对象时，用synchronized关键字进行加锁，同一时刻只能有一个线程执行，等第一个线程创建完时间后。第一个线程释放同步锁，此时第二个线程可以加上同步锁，并允许接下来的代码。这个时候，实例已经被第一个线程创建，所以第二个线程不会再重复创建实例，保证得到的是同一个实例（synchronized加锁是一个非常耗时的操作，应该尽量避免）

可行的解法：加同步锁前后两次判断

我们可以优化以上方法，只在我们需要的时候镜像同步锁，如下。

/*** @author liaojiamin* @Date:Created in 14:38 2020/10/27*/
public class SingletonTwo {private SingletonTwo(){}public static SingletonTwo singletonTwo;public static SingletonTwo getInstance(){if(null == singletonTwo){synchronized (SingletonOne.class){if(null == singletonTwo){singletonTwo = new SingletonTwo();}}}return singletonTwo;}
}

以上SingletonTwo中只有instance为null的时候，才需要加锁。当instance已经创建出来后，无须加锁。因为只有第一次instance为null，所以执行的结果就是只有第一次的时候才会加锁，其他时候都无需锁，所有效率高得多。
两次判断的原因：
- 假设我们去掉同步块中的是否为null的判断，有这样一种情况，假设A线程和B线程都在同步块外面判断了synchronizedSingleton为null，结果A线程首先获得了线程锁，进入了同步块，然后A线程会创造一个实例，此时synchronizedSingleton已经被赋予了实例，A线程退出同步块，直接返回了第一个创造的实例，此时B线程获得线程锁，也进入同步块，此时A线程其实已经创造好了实例，B线程正常情况应该直接返回的，但是因为同步块里没有判断是否为null，直接就是一条创建实例的语句，所以B线程也会创造一个实例返回，此时就造成创造了多个实例的情况。

推荐的解法：利用静态属性

/*** @author liaojiamin* @Date:Created in 14:40 2020/10/27*/
public class SingletonThree {private SingletonThree(){}private static SingletonThree singletonThree = new SingletonThree();public static SingletonThree getInstance(){return singletonThree;}
}

SingletonThree实现的方式简洁。我们初始化静态变量singletonThree 时候创建一个实例。由于Java是在类加载的时候在方法区对静态属性分配内存，并且只初始化一次，这样我们就能保证只初始化一次singletonThree 。
因为SingletonThree 中singletonThree 的初始化并不是调用getInstance的时候创建的，而且在类加载的时候就已经创建，我们使用的时候调用getInstance方法他其实是不会创建新的实例，所有他会提前创建好实例，不管你之后是否需要

最优的解法：实现按需创建实例

/*** @author liaojiamin* @Date:Created in 15:45 2020/10/27*/
public class SingletonFour {private SingletonFour(){}private static class SingletonInstance{static SingletonFour singletonFour = new SingletonFour();}public static SingletonFour getInstance(){return SingletonInstance.singletonFour;}
}

SingletonFour 中我们定义了一个私有的内部类SingletonInstance我们利用：**内部静态类不会自动初始化，只有调用静态内部类的方法，静态域，或者构造方法的时候才会加载静态内部类。**的特点来实现的此处的单例
由于静态内部类是私有的，只有我们在调用getInstance方法的时候被用到，因此当我们试图通过属性SingletonFour .getInstance得到SingletonFour 时候，会自动调用内部类SingletonInstance的静态构造方法创建实例，并初始化内部类中的静态变量 singletonFour

解法比较

以上五种实现方案中，第一张方法在多线程环境中不能正常工作，第二种线程安全的方法但是实际效率低下，都不是我们所期待的可运行的解法。第三种方法中，我们通过两次判断加一次锁确保在多线程环境能高效运转。第四种利用java静态属性的特性，确保值创建一个实例。第五种方法利用私有嵌套类型的特性，做到只在真正需要的时候才创建实例，提高空间使用率。第五种解法是最优解。

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