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。

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。

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。

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：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。

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
• 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，且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。

实现原理

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

创建Singleton类

public class SingleObject {
 
   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
 
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
 
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
 
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

获取单例对象

public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //不合法的构造函数
      //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();
 
      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

具体实现方式

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;  
    }  
}

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;  
    }  
}

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。

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

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

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。

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    	private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    
    public static final Singleton getInstance() {  
        return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

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;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

总结：

经验之谈：一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。