设计模式——单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是众多设计模式中较为简单的一个，同时它也是面试时经常被提及的问题，如何理解单例模式？单例模式又有何应用？且听我慢慢道来。

概念

• 定义：单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

• 单例模式只涉及到了一个类，该类负责创建它自己的对象（事实上，其他类都没办法创建它的对象），同时确保只生成一个对象。这个类提供了一种访问其唯一对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类。

• 有很多对象其实我们只需要一个，比如：线程池（threadpool）、缓存（cache）、对话框、驱动程序、数据库连接池等等。

• 优点：

  1. 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例。

  2. 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

  3. getInstance() 方法是静态的，这意味着它是一个类方法，所以可以在任何地方使用 Singleton.getInstance() 访问它。这和全局变量一样简单，但多了优点：延迟实例化。

• 缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

如何编写？

a.线程不安全的懒汉式

• 我们先从最简单的开始，线程不安全的懒汉式入手。

• 判断是否存在这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

• 关键：构造函数是私有的（private）。

• 代码：

    public class Singleton{
    
        private static Singleton uniqueInstance;
    
        //一些其他的有用的实例化变量
    
        private Singleton(){}
    
        public static Singleton getInstance(){
            if(uniqueInstance == null){
                uniqueInstance = new Singleton();
            }
            return uniqueInstance;
        }
  
        //一些其他的有用的方法
    
    }
  

• 层层剖析：

    private static Singleton uniqueInstance;
  

  利用一个静态（static）变量来记录 Singleton 类的唯一实例。

  static 关键字：Java 中被 static 修饰的成员称为静态成员或类成员。它属于整个类所有，而不是某个对象所有，即被类的所有对象所共享。静态成员可以使用类名直接访问，也可以使用对象名进行访问

  ---

    private Singleton(){}
  

  把构造器声明为私有的（private），这样，只有 Singleton 类内部才能调用构造器。

  ---

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

  1. 用 getInstance() 方法实例化对象，并返回这个实例。

  2. 判断是否存在这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

  3. 创建时，调用 Singleton 类的构造器，满足“由该类自己创建自己的实例”

  4. 如果我们不调用 getInstance() 方法，那实例就永远不会产生，这就是“延迟实例化”（lazy instantiaze）

  ---

• 这种方法是最简单的单例模式，又称的线程不安全的懒汉式，特点如下：

  描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。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。

  是否 Lazy 初始化：是

  是否多线程安全：否

  实现难度：易

多线程问题

b.线程安全的懒汉式

• 上文我们层层剖析了单例模式是如何编写的，以及各行代码是什么意义，但仔细思考，这样并不严谨。

• 如果仅仅像上文那样编写代码，那么可能会产生多线程不同步的问题，有可能两个线程同时进入 getInstance() 方法，并且在 if 判断时，因为时间相差无几，都从 JVM 中得到了继续执行的指示：创建实例，于是产生了两个实例。

• 多线程同步，其实很简单，只需要为 getInstance() 方法加上 Synchronized 关键字即可，这样就是线程安全的懒汉式，代码如下：

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

  Synchronized 确保每个线程在进入这个方法前，都会检查是否有其他线程正在调用该方法，如果没有则进入，这样就不会有两个线程同时进入这个方法

• 特点：

  描述：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，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）。

  是否 Lazy 初始化：是

  是否多线程安全：是

  实现难度：易

改善多线程

• 不要以为加上了 synchronized 就万事大吉了，再想想：这个类不是只会创建一个实例吗？那也就是说，只有在第一次进入的时候才要预防多线程同时创建多个实例，一旦实例被创建，那之后的多线程同时进入 getInstance() 方法也没什么大不了的。Synchronized 同步好像变成了一种累赘，拖垮程序性能。

• 自然我们会思考，有没有什么办法能在第一次的时候同步，之后就不在意同步了呢？

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c.双重校验锁

• 利用双重校验锁（double-checked locking）来为我们完成预期目标，它会首先检查实例是否已经创建了，如果尚未创建才进行同步。

• 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，当 getInstance() 的性能对应用程序很关键时推荐用双重校验锁的方式。

• 代码：

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

• 特点：

  JDK 版本：JDK1.5 起

  是否 Lazy 初始化：是

  是否多线程安全：是

  实现难度：较复杂

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d.饿汉式

• 饿汉式：它基于 classloder 机制避免了多线程的同步问题，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。

• 利用这个办法，我们依赖 JVM 在加载这个类时马上创建该类的唯一实例，JVM 保证了在任何线程访问 uniqueInstance 静态变量之前，一定先创建该实例。

• 代码：

    public class Singleton {  
  
        private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();  
  
        private Singleton (){}  
  
        public static Singleton getInstance() {  
            return uniqueInstance;  
        }  
  
    }  
  

• 特点：

  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。

  是否 Lazy 初始化：否

  是否多线程安全：是

  实现难度：易

其他实现方式

e.登记式/静态内部类

• 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，它跟饿汉式不同的是：饿汉式只要 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。

• 想象一下，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，这种方式相比饿汉式就显得很合理。

• 代码：

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

• 特点：

  描述：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。

  登记式/静态内部类

  是否 Lazy 初始化：是

  是否多线程安全：是

  实现难度：一般

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f.枚举

• 描述：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。

• 代码实例：

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

• 特点：

  JDK 版本：JDK1.5 起

  是否 Lazy 初始化：否

  是否多线程安全：是

  实现难度：易

经验之谈

一般情况下，不建议使用懒汉式（不管线程安全不安全），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。

本文参考：

单例模式 | 菜鸟教程：http://www.runoob.com/design-pattern/singleton-pattern.html

《Head First 设计模式》