Android 开发设计模式（一）——单例模式线程安全与序列化

Jaynm
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前言

单例模式是最常用到的设计模式之一，熟悉设计模式的朋友对单例模式都不会陌生。一般介绍单例模式都只会提到饿汉式和懒汉式这两种实现方式。

看完本章后，你可能会发现项目中的并没有正确的使用创建单例，本文会将单例模式的创建方式和优缺点详细描述。

一、单例模式介绍

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

很多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息。这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

二、单例模式的特点

单例模式具备以下特点：

  • 单例类只能有一个实例。
  • 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  • 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

优点：由于单例模式只生成了一个实例，所以能够节约系统资源，减少性能开销，提高系统效率，同时也能够严格控制客户对它的访问。

缺点：也正是因为系统中只有一个实例，这样就导致了单例类的职责过重，违背了“单一职责原则”，同时也没有抽象类，这样扩展起来有一定的困难。

三、单例模式的实现

单例模式要求类能够有返回对象一个引用(永远是同一个)和一个获得该实例的方法（必须是静态方法，通常使用 getInstance 这个名称）。

单例的实现主要是通过以下两个步骤：

  1. 将该类的构造方法定义为私有方法，这样其他处的代码就无法通过调用该类的构造方法来实例化该类的对象，只有通过该类提供的静态方法来得到该类的唯一实例；
  2. 在该类内提供一个静态方法，当我们调用这个方法时，如果类持有的引用不为空就返回这个引用，如果类保持的引用为空就创建该类的实例并将实例的引用赋予该类保持的引用。

1、饿汉模式（线程安全）

public class Singleton {

    private final static Singleton INSTANCE = new Singleton();

    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}
  • 优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
  • 缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到 Lazy Loading 的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

2、懒汉模式（线程不安全）

public class Singleton {

    private static Singleton singleton;

    private Singleton() {}

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

这种写法起到了 Lazy Loading 的效果，但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了 if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

3、懒汉式（线程安全）

public class Singleton {

    private static Singleton singleton;

    private Singleton() {}

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

解决线程不安全问题，做个线程同步就可以了，于是就对 getInstance()方法进行了线程同步。

缺点：效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行 getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接 return 就行了。方法进行同步效率太低要改进。

4、静态内部类（线程安全）

public class Singleton {

    private Singleton() {}

    private static class SingletonInstance {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonInstance.INSTANCE;
    }
}

这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要 Singleton 类被装载就会实例化，没有 Lazy-Loading 的作用，而静态内部类方式在 Singleton 类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用 getInstance 方法，才会装载 SingletonInstance 类，从而完成 Singleton 的实例化。

优点：避免了线程不安全，延迟加载，效率高。

5、枚举（线程安全）

public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {

    }
}

借助 JDK1.5 中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。可能是因为枚举在 JDK1.5 中才添加，所以在实际项目开发中，很少见人这么写过。

6、双重校验锁法（线程安全）

public class Singleton {

    private static volatile Singleton singleton;

    private Singleton() {}

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

Double-Check 概念对于多线程开发者来说不会陌生，如代码中所示，我们进行了两次 if (singleton == null)检查，这样就可以保证线程安全了。这样，实例化代码只用执行一次，后面再次访问时，判断 if (singleton == null)，直接 return 实例化对象。

优点：线程安全；延迟加载；效率较高。

四、单例模式注意事项

1、内存泄漏

单例模式在 Android 开发中会经常用到，但是如果使用不当就会导致内存泄露。因为单例的静态特性使得它的生命周期同应用的生命周期一样长，如果一个对象已经没有用处了，但是单例还持有它的引用，那么在整个应用程序的生命周期它都不能正常被回收，从而导致内存泄露。

public class Singleton {
   private static Singleton singleton = null;
   private Context mContext;

   public Singleton(Context mContext) {
      this.mContext = mContext;
   }

   public static Singleton getSingleton(Context context){
    if (null == singleton){
      singleton = new Singleton(context);
    }
    return singleton;
  }
}

调用 getInstance(Context context)方法的时候传入的 context 参数是 Activity、Service 等上下文，就会导致内存泄露。

当我们退出 Activity 时，该 Activity 就没有用了，但是因为 singleton 作为静态单例（在应用程序的整个生命周期中存在）会继续持有这个 Activity 的引用，导致这个 Activity 对象无法被回收释放，这就造成了内存泄露。

为了避免这样单例导致内存泄露，我们可以将 context 参数改为全局的上下文：

public Singleton(Context mContext) {
    this.mContext = mContext.getApplicationContext();
}

全局的上下文 Application Context 就是应用程序的上下文，和单例的生命周期一样长，这样就避免了内存泄漏。单例模式对应应用程序的生命周期，所以我们在构造单例的时候尽量避免使用 Activity 的上下文，而是使用 Application 的上下文。

2、线程安全

单例模式在多线程的应用场合下必须小心使用。如果当唯一实例尚未创建时，有两个线程同时调用创建方法，那么它们同时没有检测到唯一实例的存在，从而同时各自创建了一个实例，这样就有两个实例被构造出来，从而违反了单例模式中实例唯一的原则。解决这个问题的办法是为指示类是否已经实例化的变量提供一个互斥锁(但是这样会降低效率)。

  • volatile 关键字

Volatile 变量具有 synchronized 的可见性特性，但是不具备原子特性。这就是说线程能够自动发现 volatile 变量的最新值。Volatile 变量可用于提供线程安全，但是只能应用于非常有限的

  • volatile 关键字作用

  1. 防止指令重排：规定了 volatile 变量不能指令重排，必须先写再读。

  2. 内存可见：线程从内存中读取 volatile 修饰的变量的数据，直接从主内存中获取数据，不需要经过 CPU 缓存，这样使得多线程获取的数据都是一致的。如图所示：

  • volatile 和 synchronized 区别

volatile 不能够替代 synchronized，原因有两点：

  1. 对于多线程，不是一种互斥关系
  2. 不能保证变量状态的“原子性操作”，所以 volatile 不能保证原子性问题

3、序列化传递数据

我们期望单例模式可以保证只创建一个实例，而通过特殊手段创建出其他的实例，就对单例模式造成了破坏。反序列化就会破坏单例模式。

单例实现了 serializable 接口，反序列化时会通过反射调用无参构造方法创建一个新的实例，这时就要重写 readResolve 方法规避序列化破坏单例，如下：

    //防止序列化破坏单例模式
    public Object readResolve() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

而枚举在序列化的时候仅是将枚举对象的 name 属性输出到结果中，反序列化时通过 java.lang.Enum 的 valueOf 方法根据 name 查找枚举对象。同时，编译器是不允许任何对这种序列化机制的定制的，因此禁用了 writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace 和 readResolve 等方法。

也就是说，枚举的反序列化不是通过反射实现的，所以不会破坏单例模式。

原则上不允许用单例模式序列化传递数据，如果一定要这么做，请考虑数据恢复现场。

五、总结

一般来说，单例模式有五种写法：懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举。

开发过程中，一般情况下直接使用饿汉式就好了，如果明确要求要懒加载（lazy initialization）倾向于使用静态内部类。如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。

一个单例模式，涉及到的知识点包括了线程安全，类加载机制，枚举实现原理，序列化，反射等多个知识点。即使是已经学过，仍然有回顾的价值。

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对的支持。 在这里插入图片描述

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