单例设计模式（Singleton Design Pattern）

1 概念

一个类只允许创建一个对象（或者实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，简称单例模式。

2 实现

实现单例时，需要注意：

• 构造函数需要是private访问权限的，这样才能避免外部通过new创建实例
• 考虑对象创建时的线程安全问题
• 考虑获取对象实例（getInstance()）时的性能问题
• 考虑是否支持延迟加载

单例模式包含以下实现方式：

• 懒汉式（延迟加载、并发度低）
• 饿汉式（非延迟加载、并发度高）
• 双重校验（延迟加载、并发度高、手动保证线程安全）
• 静态内部类（延迟加载、并发度高、无需手动保证线程安全）
• 枚举类（延迟加载、并发度高、无需手动保证线程安全、最简单的实现方式）

2.1 懒汉式

使用时，再初始化instance实例

优点：

• 支持延迟加载

缺点：

• 获取实例时需要加锁，并发度低

public class LazySingleton {

    private static LazySingleton instance;

    private LazySingleton(){}

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

2.2 饿汉式

类加载时，instance实例就已经创建并初始化了

优点：

• 获取实例时不需要加锁，并发度高

缺点：

• 不支持延迟加载，instance实例可能一直都不会被用到，浪费资源

public class HungrySingleton {

   private final static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
  
   private HungrySingleton (){}
   
   public static HungrySingleton getInstance() {
       return instance;
   }
}

2.3 双重校验

支持延迟加载，避免每次获取实例都要加锁

优点：

• 支持延迟加载
• 获取实例时不需要加锁，并发度高

缺点：

• 需要手动保证线程安全（synchronized）

public class DoubleCheckSingleton {


//    private volatile static DoubleCheckSingleton instance; // 低版本java
   private static DoubleCheckSingleton instance;// 高版本java

   private DoubleCheckSingleton (){}

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

}

备注（关于volatile关键字的使用）：

• 低版本的 Java 因为指令重排序，可能会导致 DoubleCheckSingleton 对象被 new 出来，并且赋值给 instance 之后，还没来得及初始化（执行构造函数中的代码逻辑），就被另一个线程使用了（另一个线程使用时因为实例还没有被初始化完成，从而会抛出异常）。要解决这个问题，需要给 instance 成员变量加上 volatile 关键字，禁止指令重排序才行

• 高版本的 Java 已经在 JDK 内部实现中解决了这个问题（解决的方法很简单，只要把对象 new 操作和初始化操作设计为原子操作，就自然能禁止重排序）

2.4 静态内部类

创建类时，不初始化instance实例；当调用getInstance()方法时，才会去初始化

优点：

• 支持延迟加载
• 获取实例时不需要加锁，并发度高
• 不需要手动保证线程安全，由jvm保证

public class StaticInnerClassSingleton {

    private static StaticInnerClassSingleton instance;

    public static class InstanceHolder {
        private static final StaticInnerClassSingleton instance = new StaticInnerClassSingleton();
    }

    public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
        return InstanceHolder.instance;
    }
}

2.5 枚举

最简单的实现方案

优点：

• 通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了线程安全和实例唯一

缺点：

• JDK1.5及以上版本才加入enum特性

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
}

3 思考

3.1 单例的使用场景

• 处理资源访问冲突
  • 日志类（非单例情况下，多线程往同一个文件写日志可能存在互相覆盖的情况）
• 表示全局唯一类
  • ID生成器
  • 配置类
  • 连接池类

3.2 单例存在的问题

• 单例对 OOP 特性的支持不友好
• 单例会隐藏类之间的依赖关系
• 单例对代码的扩展性不友好
• 单例对代码的可测试性不友好
• 单例不支持有参数的构造函数

3.3 有何替代方案

• 工厂模式
• IOC 容器