单例模式

单例模式（Singleton）：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。

        通常我们可以让一个全局变量使得一个对象被访问，但它不能防止你实例化多个对象。一个最好的办法就是，让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例可以被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。- - 《大话设计模式》

 

单例模式有很多好处，它能够避免实例对象的重复创建，不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。如果一个对象有可能贯穿整个应用程序，而且起到了全局统一管理控制的作用，那么单例模式也许是一个值得考虑的选择。

 

类第一次被加载时就将自己实例化的称为饿汉式单例类

第一次被引用时才将自己实例化的成为懒汉式单例类

 

由于饿汉式，即静态初始化的方式，它是类一加载就实例化的对象，所以要提前占用系统资源。然后懒汉式，又会面临着多线程访问的安全性问题，需要做双重锁定这样的处理才可以保证安全。所以到底使用哪一种方式，取决于实际的需求。--《大话设计模式》

 

饿汉模式

package singleton;
/**
*
* Title: SingletonNow Description: 单例模式-饿汉模式
*
* @author yacong_liu Email:2682505646@qq.com
* @date 2019年1月14日
*/
public class SingletonNow {
    private static SingletonNow instance = new SingletonNow();
    private SingletonNow() {
    }
    public static SingletonNow getInstance() {
        return instance;
    }
}

从代码中我们看到，类的构造函数定义为private的，保证其他类不能实例化此类，然后提供了一个静态实例并返回给调用者。饿汉模式是最简单的一种实现方式，饿汉模式在类加载的时候就对实例进行创建，实例在整个程序周期都存在。它的好处是只在类加载的时候创建一次实例，不会存在多个线程创建多个实例的情况，避免了多线程同步的问题。它的缺点也很明显，即使这个单例没有用到也会被创建，而且在类加载之后就被创建，内存就被浪费了。

        这种实现方式适合单例占用内存比较小，在初始化时就会被用到的情况。但是，如果单例占用的内存比较大，或单例只是在某个特定场景下才会用到，使用饿汉模式就不合适了，这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载。

 

懒汉模式

package singleton;
/**
*
* Title: Singleton Description: 单例模式-懒汉模式-线程不安全
*
* @author yacong_liu Email:2682505646@qq.com
* @date 2019年1月14日
*/
public class SingletonLazy {
    private static SingletonLazy instance = null;
    private SingletonLazy() {
    }
    public static SingletonLazy getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazy();
        }
        return instance;
    }
}

 懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的，如果单例已经创建，再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。但是这里的懒汉模式并没有考虑线程安全问题，在多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法，导致创建多个实例，因此需要加锁解决线程同步问题，实现如下：

package singleton;
/**
*
* Title: SingletonLazySafe
* Description: 饿汉模式-线程安全-锁
* @author yacong_liu Email:2682505646@qq.com
* @date 2019年1月14日
*/
public class SingletonLazySafe {
    private static SingletonLazySafe instance;
    private SingletonLazySafe() {
    }
    public static synchronized SingletonLazySafe getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonLazySafe();
        }
        
        return instance;
    }
}

加锁的懒汉模式看起来即解决了线程并发问题，又实现了延迟加载，然而它存在着性能问题，依然不够完美。synchronized修饰的同步方法比一般方法要慢很多，如果多次调用getInstance()，累积的性能损耗就比较大了。因此使用这种方式，性能是一个大问题，因此就有了双重锁定 Double-Check Locking

 

双重校验锁 Double-Check Locking

package singleton;
/**
*
* Title: SingletonLazySafe Description: 饿汉模式-线程安全-双重校验锁
*
* @author yacong_liu Email:2682505646@qq.com
* @date 2019年1月14日
*/
public class SingletonLazySafeDoubleCheck {
    private static SingletonLazySafeDoubleCheck instance;
    private SingletonLazySafeDoubleCheck() {
    }
    public static SingletonLazySafeDoubleCheck getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (SingletonLazySafeDoubleCheck.class) {
                if(instance == null) {
                    instance = new SingletonLazySafeDoubleCheck();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

 可以看到上面在同步代码块外多了一层instance为空的判断。由于单例对象只需要创建一次，如果后面再次调用getInstance()只需要直接返回单例对象。因此，大部分情况下，调用getInstance()都不会执行到同步代码块，从而提高了程序性能。不过还需要考虑一种情况，假如两个线程A、B，A执行了if (instance == null)语句，它会认为单例对象没有创建，此时线程切到B也执行了同样的语句，B也认为单例对象没有创建，然后两个线程依次执行同步代码块，并分别创建了一个单例对象。为了解决这个问题，还需要在同步代码块中增加if (instance == null)语句。

我们看到双重校验锁即实现了延迟加载，又解决了线程并发问题，同时还解决了执行效率问题，是否真的就万无一失了呢？

这里要提到Java中的指令重排优化。所谓指令重排优化是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快。JVM中并没有规定编译器优化相关的内容，也就是说JVM可以自由的进行指令重排序的优化。

 

       这个问题的关键就在于由于指令重排优化的存在，导致初始化Singleton和将对象地址赋给instance字段的顺序是不确定的。在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。此时就可以将分配的内存地址赋值给instance字段了，然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstance，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。

 

       以上就是双重校验锁会失效的原因，不过还好在JDK1.5及之后版本增加了volatile关键字。volatile的一个语义是禁止指令重排序优化，也就保证了instance变量被赋值的时候对象已经是初始化过的，从而避免了上面说到的问题。代码如下：

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

 

静态内部类

package singleton;
/**
*
* Title: SingletonClass
* Description: 单例模式-静态内部类
* @author yacong_liu Email:2682505646@qq.com
* @date 2019年1月14日
*/
public class SingletonClass {
    private static class SingletonHolder {
        public static SingletonClass instance = new SingletonClass();
    }
    private SingletonClass() {
    }
    public static SingletonClass getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

 这种方式同样利用了类加载机制来保证只创建一个instance实例。它与饿汉模式一样，也是利用了类加载机制，因此不存在多线程并发的问题。不一样的是，它是在内部类里面去创建对象实例。这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。

        

         枚举类单例模式，使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。因此，《Effective Java》作者推荐使用的方法。不过，在实际工作中，很少看见有人这么写。

 

上面提到的四种实现单例的方式都有共同的缺点：

1）需要额外的工作来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例。

2）可以使用反射强行调用私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

 

双重校验锁和静态内部类的方式可以解决大部分问题，平时工作中使用的最多的也是这两种方式!