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【Java】单例模式

来源：爱go旅游网

1. 单例模式

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。

注意：

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。

2. 介绍

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

应用实例：

一个班级只有一个班主任。
Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：

在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

要求生产唯一序列号。
WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

3. 单例模式的几种实现方式

1、懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：否
实现难度：易
描述：
- 这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
- 这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

public class Singleton {

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

2、懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：
- 这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
- 优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
- 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
- getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

public class Singleton {  

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

面试点：此方案可以考察应聘者对 synchronized 关键字的理解

3、饿汉式

是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：
- 这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
- 优点：没有加锁，执行效率会提高。
- 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
- 它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。
- 和懒汉模式相比，饿汉模式是在装载 Singleton 类的时候便初始化对象，提前做好准备，所以叫做饿汉。要注意到饿汉模式中 getInstance() 方法没有使用 synchronized 关键字。的确，饿汉模式的线程安全不是依靠 synchronized 来保证的，而是依靠JVM。
- Java文件在编译的时候，对于包含静态初始化语句或者静态变量初始化语句的类，其生成的.class文件中会包含一个<clinit>方法。<clinit> 方法专门负责执行类变量初始化语句和静态初始化语句，而且<clinit>方法能够保证初始化类变量这一过程的线程安全。为此，我们说，<clinit>机制是饿汉模式能够实现线程安全的基础。

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

面试点：此方案可以考察应聘者对JVM中类加载机制和对象加载机制的理解。

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：较复杂
描述：
- 这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
- getInstance() 的性能对应用程序很关键。

public class Singleton {
	// 这里一定要加上  volatile，为了禁止指令重排
    private volatile static Singleton singleton;  
    
    private Singleton (){}  
    
	//双重检测锁模式
    public static Singleton getSingleton() {  
    	if (singleton == null) {  
        	synchronized (Singleton.class) {  
        	if (singleton == null) {  
            	singleton = new Singleton();  
        	}  
        }  
    }  
    return singleton;  
    }  
}

当 singleton = new Singleton(); 创建实例对象时，并不是原子操作，它是分三步来完成的：

上述正常步骤按照1–>2–>3来执行的，但是，我们知道，JVM为了优化指令，提高程序运行效率，允许指令重排序。正是有了指令重排序的存在，那么就有可能按照1–>3–>2步骤来执行，这时候，当线程A执行步骤3完毕，在执行步骤2之前，被切换到线程B上，因为 singleton 指向了空间，所以 singleton 判断为非空，此时线程B直接来到return singleton语句，拿走 singleton 然后使用，接着就顺理成章地报错（对象尚未初始化完成）。

volatile关键字其中一个作用就是禁止指令重排序，所以DCL单例必须要加volatile。

面试点：此方案可以考察应聘者对volatile关键字的理解和掌握。

5、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：一般
描述：
- 这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
- 这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。
- 在内部静态类方案中，单例对象的加载方式和饿汉模式一样，也是利用类加载时的<clinit>机制来保证线程安全性。
- 虚拟机会保证一个类的<clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果在一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞（需要注意的是，其他线程虽然会被阻塞，但如果执行<clinit>()方法后，其他线程唤醒之后不会再次进入<clinit>()方法。同一个加载器下，一个类型只会初始化一次。），在实际应用中，这种阻塞往往是很隐蔽的。

public class Singleton {
	// 构造器私有
	private Singleton (){} 
	
	// 私有的静态内部类
    private static class SingletonHolder {
    	// final 主要为了防止外部类实例对内部类参数进行修改，防止外部数据跟内部实例内的数据不一致
    	private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    
    // final 修饰的方法不能被重写
    public static final Singleton getInstance() {  
    	// 外部类可以访问内部类的 private 属性
    	// 非静态内部类中，不能有静态变量
    	// 静态内部类中的私有变量
    	// 如果是静态的，外部类直接通过 类名.变量名 即可访问
    	// 如果是非静态的，外部类直接通过 对象名.变量名 即可访问
    	return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

面试点：此方案可以考察应聘者对Java四种嵌套类的理解和掌握。

6、枚举

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：
- 这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
- 这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。 不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    
    // Singleton.INSTANCE.whateverMethod();
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

面试点：此方案可以考察应聘者对枚举的理解和掌握，包括枚举的初始化、构造函数、values方法等。

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