深入理解单例模式的设计与实现
单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中相对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。
使用场景：
1、要求生产唯一序列号。
2、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。
3、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。
注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。
实现1：懒汉式，线程不安全
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
分析：这种方式是最容易想到的实现方式，但是这种实现存在一个很大大的问题：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。
实现2：懒汉式，线程安全
基于实现1存在的线程不安全问题，可得到以下实现：
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
分析：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，大多数情况下不需要同步。
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）。
实现3：懒汉式，双重检验锁，线程安全，性能较高
基于实现2中的性能问题，可得出以下线程安全且高性能的实现：
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;
}
}
分析：这种方式采用双锁机制，即通过volatile关键字保证线程的内存可见，确保singleton是否为null能及时刷新到各线程的工作内存中，同时有在if条件内部添加synchronized同步锁安全，在singleton实例为空时，才给线程添加同步锁，以保证线程安全，且在多线程情况下能保持高性能。
实现4：饿汉式，线程安全：
基于实现3中复杂的实现方式，可采用实现更为简单的写法，如下：
public Singleton(){
private static final Singleton singleton = new Singleton();
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance(){
return singleton;
}
}
分析：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。
深入理解：它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，即，类初始化阶段由JLS保证是顺序的，是非并发的，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。
实现5：静态内部类法，懒加载，线程安全：
基于实现4中存在的资源耗费问题，可有以下解决方法来改善实现：
public class Singleton{
private Singleton(){}
//创建内部静态类，第一次使用时才被加载
private static class SingletonHolder{
private static final Singleton instance = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.instance;
}
}
分析：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。
深入理解：这种方式同样利用了 classloder 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 4 种方式不同的是：第 4 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，只有显示通过调用 getInstance 方法时，才会显示装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。
试想，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 4 种方式就显得很合理。
延伸：虚拟机规范严格规定了5种情况下，必须对类（注意是类）进行初始化
- 遇到new,getstatic,putstatic,invokestatic这4条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
- 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
- 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
- 当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
- 当使用jdk1.7动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getstatic,REF_putstatic,REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化，则需要先出触发其初始化
实现6：枚举法，懒加载，线程安全，实现简单：
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void whateverMethod() {
}
}
分析：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。
总结：
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 4 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 3 种双检锁方式。
参考资料：
1、阿里云大学：https://edu.aliyun.com/lesson_471_4545?spm=5176.8764728.0.0.ZNKWmq#_4545
2、个人平时学习总结笔记。
