一、单例模式

1 基本介绍

单例模式（Singleton Pattern）是一种 创建型 设计模式，其目的是 确保一个类仅有一个实例，并提供一个 静态方法 来获取该实例。

2 实现方式

单例模式围绕着两个特性展开：

• 延迟加载：在需要这个单例时才创建单例，避免浪费内存。
• 线程安全：在多线程环境下，保证多线程使用的单例是同一个单例。

共有以下六种实现方式：

2.1 饿汉式

2.1.1 代码

饿汉式的实现在 Java 中有两种实现，常用的是第一种。

方式一：显式初始化。

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

    private Singleton() {}

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

方式二：静态代码块初始化。

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

    private Singleton() {}

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

2.1.2 特性

• 不延迟加载：在 类加载 时就创建单例。
• 线程安全：类加载由 JVM 保证线程安全，所以此时创建的单例也是线程安全的。

2.2 懒汉式 ( 线程不安全 )

2.2.1 代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

2.2.2 特性

• 延迟加载：只有在 调用获取单例的方法 getInstance() 时才创建单例。
• 线程不安全：如果有多个线程同时通过了 singleton == null 这个条件，则它们会创建多个单例。

2.3 懒汉式 ( 线程安全 )

2.3.1 代码

注意 getInstance() 方法前的 synchronized 修饰符。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

2.3.2 特性

• 延迟加载：只有在 调用获取单例的方法 getInstance() 时才创建单例。
• 线程安全：在多个线程同时获取单例时，使用 synchronized 互斥锁，来保证只有一个线程能够生成单例，而其他线程等待这个线程创建的单例，保证了单例的线程安全。
• 成本太大：即使已经有单例了，每次调用 getInstance() 方法还得经过 加锁 和 释放锁 的流程（因为使用了 synchronized 互斥锁），降低了并发性能。

2.4 双重检查

2.4.1 代码

注意单例前的 volatile 修饰符，它有两个作用：保证变量对所有线程可见 和 防止指令重排。在此处起 防止指令重排 的作用：防止 JIT 即时编译器对 instance = new Singleton(); 这行代码进行重排序。

如果进行重排序，则可能先给 instance 分配内存（此时 instance != null），然后才调用构造器为 instance 的属性赋值。在这两步操作之间，要是有线程调用 getInstance() 方法，它将无法通过外层的 instance == null 条件，会返回一个不完整（赋值不完全）的对象。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance; // 注意 volatile 在这里起 防止指令重排 的作用

    private Singleton() {}

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

}

2.4.2 特性

• 延迟加载：只有在 调用获取单例的方法 getInstance() 时才创建单例。
• 线程安全：在多个线程同时获取单例 且 单例未创建时，如果都通过了外层的 instance == null 条件，则在内层使用 synchronized 互斥锁，来保证只有一个线程创建单例，而其他线程等待这个线程创建的单例，保证了单例的线程安全。
• 成本小：这种实现方式只有最初创建单例时会加互斥锁，之后就不需要创建单例了，直接返回即可，无需加锁和释放锁，提高了并发性能。

2.5 静态内部类

2.5.1 代码

public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

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

2.5.2 特性

• 延迟加载：只有在 调用获取单例的方法 getInstance() 时，才会 触发静态内部类的加载，从而创建单例。
• 线程安全：静态内部类也是类，类加载由 JVM 保证其线程安全，所以本单例是线程安全的。

2.6 枚举

2.6.1 代码

public enum Singleton {
    INSTANCE; // 直接使用 Singleton.INSTANCE 就可以获取到单例

	// 可以随意写方法和属性，就像在类中一样
}

2.6.2 特性

• 不延迟加载：在 类加载 时就创建单例。
• 线程安全：类加载由 JVM 保证线程安全，所以此时创建的单例也是线程安全的。
• 防止 反射 或 反序列化 破坏单例：其他单例的实现都可以通过 反射 或 反序列化 的方式重新创建新的单例，唯独本实现无法使用这两种方式重新创建新的单例，这是因为 枚举无法通过反射获取对象，并且 枚举在序列化和反序列化时不会调用构造器。所以这种实现是 最推荐的。

3 实现的要点

1. 构造器私有化。例如 private Singleton() {}。
2. 类中有一个 静态 的单例属性。
3. 提供一个 静态 方法来获取上述单例。

4 线程不安全的单例模式

4.1 代码

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

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

4.2 评价

这样的单例模式是 线程不安全 的，synchronized 互斥锁没有起到应有的作用。只要多个线程都能通过 instance == null 条件，则它们每个线程都会创建一次单例，synchronized 仅仅能保证同一时刻只有一个线程在创建单例罢了。

应该将 判断 和 赋值 都放到 synchronized 互斥锁里，就像单例的 第三种实现——懒汉式 ( 线程安全 ) 一样。

5 JDK中的单例模式

在JDK中，Runtime 类使用了 饿汉式单例，代码如下：

public class Runtime {
    private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();

    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    private Runtime() {}

    // ...
}

6 单例模式的类图及角色

6.1 类图

其中，singleton 属性和 Singleton() 构造器都是 私有的，而 getInstance() 方法是 公开的。此外，singleton 属性和 getInstance() 方法都是 静态的。

6.2 角色

在单例模式中，只有一个角色 Singleton，它负责 实现返回单例的 静态 方法。

7 推荐的单例模式的实现

1. 饿汉式
2. 双重检查
3. 静态内部类
4. 枚举

8 单例模式的使用场景

• 创建对象耗时过多或耗费资源过多(重量级)，但经常用到。
• 频繁访问 数据库 或 文件 的对象。
• 工具类对象。