单例模式(Singleton)

概述

什么是单例模式

单例模式，是保证一个类只有一个实例，并提供一个访问该实例的全局节点。

单例模式是一种创建型模式(创建型模式提供了创建对象的机制，能够提升已有代码的灵活性和可复用性。)

说明

单例模式，是最简单的设计模式之一。看上面的描述就很能理解这一模式，不做过多说明。该类在内存中只有一个实例。

在实际中，哪些地方可能用到呢？如生成唯一的序列号，计数器等都可能使用到。

一般该类不能提供public构造方法，通过getInstance()获取实例。getInstance()缓存了首次生成的实例，并为后续调用返回该实例。

实现

下面的5种，都是线程安全的。

懒汉式

public class Singleton {  
    private static Singleton instance;  

    private Singleton (){
    }  

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

这种方式具备很好的lazy loading(延迟加载,这里可以看作 调用时才实例化)，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）。

饿汉式

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

    private Singleton (){
    }  

    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  
}

这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。未调用时就初始化了，可能未使用。
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，但显然没有达到 lazy loading 的效果。JVM在类加载时 执行静态初始化时就完成实例化了。

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

public class Singleton {  
    private volatile static Singleton singleton;  

    private Singleton (){
    }  

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

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。
通过volatile修饰，保证了singleton对象的多线程安全。

添加一些说明：

• 关于synchronized方法：
  这就是加同步锁，保证线程安全。这里修饰类，即这个类的所有对象都持有同一个锁，也是保证线程安全。
  如果synchronized修饰方法，即和懒汉式中一样，第一次比较有用，后续只是返回对象，而每次都要加锁，影响除第一次外的后续调用性能。
• 如果第一个判空不要：
  synchronized修改类 和 修饰方法就没有区别了，每次都要加锁。这个判空就是避免每次加锁，对象创建后，后续每次调用只会进行这个判断。
• 如果第二个判空不要：
  线程A 得到null 获取锁进行创建实例时，线程B 得到的还是null，虽然此时获取不到锁，但等线程A完成 同样获取锁进入，如果没有判空 就会再次创建了第二个实例，这就不是单例了。
• volatile：
  为提高性能，编译器和处理器会进行指令重排序。编译器再不改变单线程语义条件下会优化重排序。创建对象过程，如果 赋值(singleton指向对象已分配的内存地址) 发生在初始化对象之前，则另外个线程第一个判空得到的是非空，而获取到的 singleton对象是一个未初始化的对象，就有问题。volatile就是解决可见(一个线程修改的新值 另一个线程能实时可见) 和 有序(禁止指令重排序优化)。

登记式/静态内部类

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

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

这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。
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。
只有第一次显示调用getInstance方法时，才会加载 SingletonHolder类并实例化 INSTANCE。达到了lazy loading的效果。

枚举

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void anyMethod() {  
    }  
}

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，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。

经验之谈：一般情况下，不建议“懒汉式”，建议使用“饿汉式”。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用“登记/静态内部类”方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用“枚举”方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用“双检锁”方式。