单例设计模式
一、概述
1、什么是单例设计模式？
在某些特殊场合中，一个类只能够产生一个实例对象，并且这个实例对象要可以对外提供访问。这样的类叫做单例类， 而设计单例的流程和思想叫做单例设计模式。
单例模式属于设计模式三大类中的创建型模式。
2、单例设计模式的特点
单例模式具有典型的三个特点：
- 只有一个实例。
- 自我实例化。
- 提供全局访问点。
注意：
注：注意单例模式所属类的构造方法是私有的，所以单例类是不能被继承的。 （这句话表述的有点问题，单例类一般情况只想内部保留一个实例对象，所以会选择将构造函数声明为私有的，这才使得单例类无法被继承。单例类与继承没有强关联关系。）
3、单例设计模式的UML类图
单例模式的UML结构图非常简单，就只有一个类，如下图：
Singleton类，定义一个静态方法，getInstance()，可以通过类名来调用，主要负责替代构造方法，创建Singleton类唯一的实例对象。
这个类可以对外提供访问，允许用户通过getInstance()方法访问它唯一的实例。
4、单例设计模式的优缺点：
优点：
1）、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，
2）、避免频繁的创建销毁对象，可以提高性能；
3）、避免对共享资源的多重占用，简化访问；
4）、为整个系统提供唯一一个全局访问点，能够严格控制客户对它的访问。
缺点：
1）、不适用于变化频繁的对象；
2）、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”，
滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；
3）、同时也没有抽象类，这样扩展起来有一定的困难。
4）、如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为该对象是垃圾而被回收，这可能会导致对象状态的丢失；（这个所有的对象都会，跟单例无关。）
5、单例模式的应用场景：
场景一：
windows的任务管理器，无论你点击多少次，始终都只有一个管理器窗口存在，系统并不会为你创建新的窗口，也就是说，整个系统运行的过程中，系统只维护了一个进程管理器的实例。这就是一个典型的单例模式运用。
场景二：
线程池、数据库连接池的设计一般也是采用单例模式，因为数据库连接是一种数据库资源。数据库软件系统中使用数据库连接池，主要是节省打开或者关闭数据库连接所引起的效率损耗，这种效率上的损耗还是非常昂贵的，用单例模式来维护，就可以大大降低这种损耗。
场景三：
程序的日志模块。一般也是采用单例模式实现。由于共享的日志文件一直处于打开状态，只能有一个实例去操作，否则内容不好追加。 采用单例模式就可以。
场景四：
Web应用的配置对象的读取，一般也应用单例模式，这个是由于配置文件是共享的资源。
这些配置信息存放在一个文件中，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。
场景五：
在我们的实际项目开发中，可以使用单例模式来封装一些常用的工具类，保证整个应用常用的数据统一。或者保存一些共享数据在内存中，其他类随时可以读取。
二、单例模式的实现步骤
可以使用如下的步骤实现一个单例类：
单例设计模式的实现流程
1、将构造方法私有化，使用private关键字修饰。使其不能在类的外部通过new关键字实例化该类对象。 2、在该类内部产生一个唯一的实例化对象，并且将其封装为private static类型。 3、对外提供一个静态方法getInstance()负责将对象返回出去，使用public static修饰
三、单例模式的实现方式 （推荐枚举类方式）
1、饿汉式——立即加载
线程安全，调用效率高。但是不能延时加载。
立即加载就是加载类的时候就已经将对象创建完毕（不管以后会不会使用到该实例化对象，先创建了再说。很着急的样子，故又被称为“饿汉模式”），常见的实现办法就是直接new实例化。
所以加载类的速度比较慢，但是获取对象的速度比较快，且是线程安全的。
/**
* 饿汉式
*/
public class Singleton {
// 创建全局唯一的实例化对象，在类初始化时，就会立即加载这个对象
private static Singleton instance = new Singleton();
// 私有化构造方法
private Singleton() {}
// 提供公有静态方法返回对象
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}我们知道，类加载的方式是按需加载，且加载一次。因此，在上述单例类被加载时，就会实例化一个对象并交给自己的引用，供系统使用；而且，由于这个类在整个生命周期中只会被加载一次，因此只会创建一个实例，即能够充分保证单例。
优缺点：
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。（因为这个static的instance对象会一直占着这段内存，直到卸载类（即便你还没有用到这个实例））
2、懒汉式——延迟加载
延迟加载就是调用get()方法时实例才被创建（先不急着实例化出对象，等要用的时候才给你创建出来。不着急，故又称为“懒汉模式”），常见的实现方法就是在get方法中进行new实例化。
/**
* 懒汉式
*/
public class Singleton {
// 声明一个自身实例对象的引用
private static Singleton instance;
// 私有化构造方法
private Singleton(){}
// 提供公有静态方法返回对象
public static Singleton getInstance() {
// 判断如果为空，就创建，如果已经有了，就直接返回该实例，避免重复创建，保证全局唯一
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}由于该模式是在运行时加载对象的，所以加载类比较快，但是对象的获取速度相对较慢，且线程不安全。如果想要线程安全的话可以加上synchronized关键字，但是这样会付出惨重的效率代价。
我们从懒汉式单例可以看到，单例实例被延迟加载，即只有在真正使用的时候才会实例化一个对象并交给自己的引用。
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。
“懒汉模式”的优缺点：
优点：实现起来比较简单，当类SingletonTest被加载的时候，静态变量static的instance未被创建，只是声明了一个引用，并未分配内存空间。要当getInstance方法第一次被调用时，初始化instance变量，才会真正创建对象，开始分配内存，因此在某些特定条件下会节约了内存。（需要时才创建）
缺点：在多线程环境中，这种实现方法是完全错误的，根本不能保证单例的状态。
3、线程安全的“懒汉模式”—— synchronized
在懒汉模式的基础上，增加了synchronized锁同步机制，保证全局唯一。
/**
* 3、线程安全的懒汉式 —— synchronized
*/
public class Singleton {
// 声明一个自身实例对象的引用
private static Singleton instance;
// 私有化构造方法
private Singleton(){}
// 提供公有静态方法返回对象，加上synchronized关键字实现同步
public static synchronized Singleton getInstance() {
// 判断如果为空，就创建，如果已经有了，就直接返回该实例，避免重复创建，保证全局唯一
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}优点：在多线程情形下，保证了“懒汉模式”的线程安全。
缺点：众所周知在多线程情形下，synchronized方法通常效率低，显然这不是最佳的实现方案。
4、懒汉式（DCL双重检测锁）
DCL双检查锁机制（DCL：double checked locking）
/**
* 4、懒汉式 —— DCL双重检查锁机制(类锁)
* 再一次缩小了锁的范围，提供了性能
*/
public class Singleton {
// 声明一个自身实例对象的引用，使用volatile保证多线程下引用的一致性
private static volatile Singleton instance;
// 私有化构造方法
private Singleton(){}
// 提供公有静态方法返回对象
public static Singleton getInstance() {
// 第一次检查instance是否被实例化出来，如果没有，再加锁处理
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
// 某个线程取得了类锁，实例化对象前第二次检查instance是否已经被实例化出来，如果没有，才最终实例出对象
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}Double-Check概念对于多线程开发者来说不会陌生。
我们这里相比3直接对静态方法getInstance加上synchronized锁的方式，缩小了锁的范围。
将第一个if判断块释放出来了，如果实例存在，则根本不会锁住，大大加快了返回实例的效率。
只有当第一次if检查后，确定实例是真的不存在，需要创建时，此时才会开始加锁，注意此时加的是类锁，不是对象锁。不过这里是static静态方法，对象也是静态的，所以实际上它们效果是一样的。
为什么在锁里面还要再次判定是否为空呢？
因为高并发，后面的线程在第一次判定实例时也为空，也可以获得锁，只是要排队，只是在等待前面的线程释放锁。所以，当轮到它拿到锁之后，可能前面的线程已经创建了实例，所以要再次判定是否为空。这样才能保证实例唯一。
（重点在于，多个线程可以同时通过第一个if，然后都可以按顺序执行锁里的代码。）
Java指令重排的问题
注意：单纯使用上面这种方式，仍然是线程不安全的。
因为存在java指令重排的问题。
在java创建对象的时候，cpu按照以下三个步骤来执行：
1、memory = allocate() 在堆内存中开辟对象的内存空间，并指定地址
2、根据类加载的顺序，初始化对象。
3、instance = memory 设置instance指向刚分配的内存地址。instance是变量，存在栈中。
单纯执行以上三步没啥问题，但是在多线程情况下，可能会发生指令重排序。
指令重排序对单线程没有影响，单线程下CPU可以按照顺序执行以上三个步骤，但是在多线程下，如果发生了指令重排序，则会打乱上面的三个步骤。
如果发生了JVM和CPU优化，发生重排序时，可能会按照下面的顺序执行：
1、memory = allocate() 在堆内存中开辟对象的内存空间，并指定地址
3、instance = memory 设置instance指向刚分配的内存地址。instance是变量，存在栈中。
2、根据类加载的顺序，初始化对象。
假设目前有两个线程A和B同时执行getInstance()方法，
- A线程执行到instance = new Singleton(); B线程刚执行到第一个 if (instance == null) 处，
- 如果按照1.3.2的顺序，假设线程A执行到第三步3.instance = memory 设置instance指向刚分配的内存，此时，线程B判断instance已经有值，就会直接return instance;
- 而实际上，线程A还未执行第二步 初始化对象，也就是说线程B拿到的instance对象还未进行初始化，这个未初始化的instance对象一旦被线程B使用，就会出现问题。
5、懒汉式（DCL双重检测锁机制+volatile禁止指令重排）—— 推荐
相比4，这里对引用加入了volatile机制，禁止java的指令重排
懒汉式的单例模式的最佳实现方式。内存消耗少，效率高，线程安全，多线程操作原子性。
/**
* 5、懒汉式 —— DCL双重检查锁机制(类锁) + volatile禁止指令重排
* 再一次缩小了锁的范围，提供了性能。（推荐）
*/
public class Singleton {
// 声明一个自身实例对象的引用，使用volatile禁止指令重排，保证多线程下引用的一致性
private static volatile Singleton instance;
// 私有化构造方法
private Singleton(){}
// 提供公有静态方法返回对象
public static Singleton getInstance() {
// 第一次检查instance是否被实例化出来，如果没有，再加锁处理
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
// 某个线程取得了类锁，实例化对象前第二次检查instance是否已经被实例化出来，如果没有，才最终实例出对象
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}线程安全；延迟加载；效率较高。
6、静态代码块——立即加载
静态代码块方式跟饿汉式的方式几乎是一样的，只是把初始化代码放到了static块中了。
因为我们知道，类加载的时候，这些属性和静态代码块都是会跟随类一起加载的，所以它的实现方式和饿汉式一样。也是线程安全的。
/**
* 6、静态代码块方式
* 方式类似饿汉式，也是立即加载，是线程安全的
*/
public class Singleton {
// 在外部声明一个对象的引用，注意不能放到静态代码块中
private static Singleton instance;
// 静态代码块中，创建唯一实例对象，赋值给引用。
static {
instance = new Singleton();
}
// 私有化构造方法
private Singleton() {}
// 提供公有静态方法返回实例对象
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}优缺点：
优缺点都同饿汉式一样，也是立即加载，线程安全的。
这里定义静态变量时要注意：
静态变量只能定义在类的内部，不可以定义在静态块或方法中。可以在类内部定义静态变量，在静态块中进行初始化操作，因为类的内部是不允许有操作语句存在的，比如JDBC操作，所以可以在静态块static{} 中进行初始化操作，如：JDBC 定义静态变量主要是为了供外部访问，定义在一个局部中外部没有权限访问，为什么要定义呢，而且不能定义。
7、静态内部类
懒汉模式需要考虑线程安全，所以我们多写了好多的代码，饿汉模式利用了类加载的特性为我们省去了线程安全的考虑，那么，既能享受类加载确保线程安全带来的便利，又能延迟加载的方式，就是静态内部类。Java静态内部类的特性是，加载的时候不会加载内部静态类，使用的时候才会进行加载。而使用到的时候类加载又是线程安全的，这就完美的达到了我们的预期效果~
/**
* 7、静态内部类
* 融合饿汉式和懒汉式的优点，推荐
*/
public class Singleton {
// 私有静态内部类中创建并初始化实例对象，注意要private私有化，不能被外部调用了
private static class SingletonInner{
private static Singleton instance = new Singleton();
}
// 私有化构造方法
private Singleton() {}
// 提供公有静态方法，返回实例对象
public static Singleton getInstance() {
return SingletonInner.instance;
}
}似乎静态内部类看起来已经是最完美的方法了，其实不是，可能还存在反射攻击或者反序列化攻击。
8、枚举类 —— 线程最安全（最佳方式）
单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法
-- 出自 《effective java》
在effective java（这本书真的很棒）中说道，最佳的单例实现模式就是枚举模式。利用枚举的特性，让JVM来帮我们保证线程安全和单一实例的问题。除此之外，写法还特别简单。
/**
* 8、枚举类
* 最佳实现方式
*/
public enum Singleton {
INSTANCE;
}注意：因为INSTANCE实例是public公有的，可以直接通过类名的方式调用，即Singleton.INSTANCE，
就不再需要提供公有静态方法getInstance()来返回对象了。
这是最简洁、最安全的方式，不过它不能实现lazy loading延迟加载。
其实枚举类它本身就具备单例的特性：
比如：都会私有化构造方法。枚举类会对属性值加上public static final的属性，保障这个属性值都是全局唯一的。这些操作都和单例很像
所以把这个属性变成对象，它就是一个单例类。
类似于这种内部类的形式：
public class Singleton {
public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}枚举类继承自ENUM，内部实现了Serializable接口，所以不用考虑序列化的问题（其实序列化反序列化也能导致单例失败的，但是我们这里不过多研究）。
对于线程安全，同样的，加载的时候JVM能确保只加载一个实例。避免暴力反射创建多个实例，绝对防止多次实例化。
枚举类最佳实践：
参考：https://www.jianshu.com/p/d35f244f3770
枚举单例示例：
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
public EnumSingleton getInstance(){
return INSTANCE;
}
}实际应用场景中，很多人会这么使用枚举单例：
public class User {
//私有化构造函数
private User(){ }
//定义一个静态枚举类
static enum SingletonEnum{
//创建一个枚举对象，该对象天生为单例
INSTANCE;
private User user;
//私有化枚举的构造函数
private SingletonEnum(){
user=new User();
}
public User getInstnce(){
return user;
}
}
//对外暴露一个获取User对象的静态方法
public static User getInstance(){
return SingletonEnum.INSTANCE.getInstnce();
}
}
public class Test {
public static void main(String [] args){
System.out.println(User.getInstance());
System.out.println(User.getInstance());
System.out.println(User.getInstance()==User.getInstance());
}
}
结果为true以上代码看起来已经是ok了，其实不是，可能还存在反射攻击或者反序列化攻击
最终版
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void doSomething() {
System.out.println("doSomething");
}
}
// 调用方法：
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Singleton.INSTANCE.doSomething();
}
}
// 直接通过Singleton.INSTANCE.doSomething()的方式调用即可。方便、简洁又安全。推荐大家使用枚举类实现单例模式。
四、各种实现方式的选择
一般情况下，懒汉式（包含线程安全和线程不安全两种方式）都比较少用；
饿汉式和DCL双重检测锁都可以使用，可根据具体情况自主选择；
在要明确实现 lazy loading 效果时，可以考虑静态内部类的实现方式；
若涉及到反序列化创建对象时，大家也可以尝试使用枚举方式。
在选择时，请参考下面这张图：
图片来源：https://www.cnblogs.com/rainbowbridge/p/12902359.html
五、破坏单例模式的方法及解决办法
参考：https://blog.csdn.net/b_just/article/details/104061314
1、除枚举方式外, 其他方法都会通过反射的方式破坏单例,反射是通过调用构造方法生成新的对象，所以如果我们想要阻止单例破坏，可以在构造方法中进行判断，若已有实例, 则阻止生成新的实例，解决办法如下:
private SingletonObject1(){
if (instance !=null){
throw new RuntimeException("实例已经存在，请通过 getInstance()方法获取");
}
}2、如果单例类实现了序列化接口Serializable, 就可以通过反序列化破坏单例，所以我们可以不实现序列化接口,如果非得实现序列化接口，可以重写反序列化方法readResolve(), 反序列化时直接返回相关单例对象。
public Object readResolve() throws ObjectStreamException {
return instance;
}引用转载：
https://www.jianshu.com/p/3f5eb3e0b050 （爆赞）
https://www.cnblogs.com/xuwendong/p/9633985.html （爆赞）
https://segmentfault.com/a/1190000010755849 （赞）
https://www.cnblogs.com/binaway/p/8889184.html
