概念

確保某一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，而且自行實(shí)例化，并向整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)，這個(gè)類稱為單例類。

特性

單例類只能有一個(gè)實(shí)例
單例類必須自行創(chuàng)建自己的唯一的實(shí)例
單例類必須給所有其他對(duì)象提供這一實(shí)例

應(yīng)用場(chǎng)景

• 系統(tǒng)只需要一個(gè)實(shí)例對(duì)象，如系統(tǒng)要求提供一個(gè)唯一的序列號(hào)生成器或資源管理器，或者需要考慮資源消耗太大而只允許創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象
• 在整個(gè)項(xiàng)目中需要一個(gè)共享訪問點(diǎn)或共享數(shù)據(jù)，除了該公共訪問點(diǎn)，不能通過其他途徑訪問該實(shí)例
• 創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象需要消耗的資源過多，如要訪問IO和數(shù)據(jù)庫(kù)等資源
• 需要定義大量的靜態(tài)常量和靜態(tài)方法(如工具類)的環(huán)境，可以采用單例模式(當(dāng)然，也可以直接聲明為static的方式)
• 資源共享的情況下，避免由于資源操作時(shí)導(dǎo)致的性能或損耗等。如上述中的日志文件，應(yīng)用配置，數(shù)據(jù)庫(kù)連接池。
• 控制資源的情況下，方便資源之間的互相通信。如線程池等。

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

• 由于單例模式在內(nèi)存中只有一個(gè)實(shí)例，減少了內(nèi)存開支，特別是一個(gè)對(duì)象需要頻繁地創(chuàng)建銷毀時(shí)，而且創(chuàng)建或銷毀時(shí)性能又無法優(yōu)化，單例模式的優(yōu)勢(shì)就非常明顯
• 由于單例模式只生成一個(gè)實(shí)例，所以減少了系統(tǒng)的性能開銷，當(dāng)一個(gè)對(duì)象的產(chǎn)生需要比較多的資源的時(shí)候，如讀取配置，產(chǎn)生其他的依賴對(duì)象時(shí)，可以通過在應(yīng)用啟動(dòng)的時(shí)候直接產(chǎn)生一個(gè)單例對(duì)象，然后用永久駐留內(nèi)存的方式來解決
• 單例模式可以避免對(duì)資源的多重占用，例如對(duì)一個(gè)寫文件動(dòng)作，由于只有一個(gè)實(shí)例存在內(nèi)存中，避免對(duì)同一個(gè)資源文件的同時(shí)寫操作
• 單例模式可以在系統(tǒng)設(shè)置全局的訪問點(diǎn)，優(yōu)化和共享資源訪問，例如可以設(shè)計(jì)一個(gè)單例類，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)表的映射處理

缺點(diǎn)：

• 單例模式一般沒有接口/抽象層，擴(kuò)展困難。
• 單例類的職責(zé)過重，在一定程度上違背了“單一職責(zé)原則”，一個(gè)類應(yīng)該只實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯，而不關(guān)心他是否是單例的，是不是要單例取決于環(huán)境。因?yàn)閱卫惣瘸洚?dāng)了工廠角色，提供了工廠方法，同時(shí)又充當(dāng)了產(chǎn)品角色，包含一些業(yè)務(wù)方法，將產(chǎn)品的創(chuàng)建和產(chǎn)品的本身的功能融合到一起。
• 現(xiàn)在很多面向?qū)ο笳Z言(如Java、C#)的運(yùn)行環(huán)境都提供了自動(dòng)垃圾回收的技術(shù)，因此，如果實(shí)例化的共享對(duì)象長(zhǎng)時(shí)間不被利用，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為它是垃圾，會(huì)自動(dòng)銷毀并回收資源，下次利用時(shí)又將重新實(shí)例化，這將導(dǎo)致共享的單例對(duì)象狀態(tài)的丟失。

代碼實(shí)現(xiàn)

• 懶漢式（線程安全、線程不安全）
• 餓漢式（線程安全）
• 雙重檢查加鎖
• 靜態(tài)內(nèi)部類
• 枚舉單例

1. 懶漢式、線程不安全

這種方式是最基本的實(shí)現(xiàn)方式，這種實(shí)現(xiàn)最大的問題就是不支持多線程。因?yàn)闆]有加鎖synchronized，所以嚴(yán)格意義上它并不算單例模式。

與餓漢式的不同：不是一看到 instance 就初始化，飽漢要等到第一次使用的時(shí)候才初始化，不像餓漢一樣一見到 instance 就初始化，這也被稱為 懶加載，如果系統(tǒng)中很多這樣的類，顯然是懶加載的時(shí)候效率更高

public class Singleton {
    // 4：定義一個(gè)變量來存儲(chǔ)創(chuàng)建好的類實(shí)例（關(guān)鍵點(diǎn)：聲明單例對(duì)象是靜態(tài)的）
    // 5：因?yàn)檫@個(gè)變量要在靜態(tài)方法中使用，所以需要加上static修飾
    private static Singleton instance;
    // 1：私有化構(gòu)造方法，好在內(nèi)部控制創(chuàng)建實(shí)例的數(shù)目，限制產(chǎn)生多個(gè)對(duì)象（關(guān)鍵點(diǎn)：構(gòu)造函數(shù)是私有的）
    private Singleton() {}
    // 2：定義一個(gè)方法來為客戶端提供類實(shí)例
    // 3：這個(gè)方法需要定義成類方法，也就是要加static
    // 定義一個(gè)靜態(tài)方法來為客戶端提供類實(shí)例(全局訪問點(diǎn))，這樣就不需要先得到類實(shí)例
    public static Singleton getInstance() {
        // 6：判斷存儲(chǔ)實(shí)例的變量是否有值（關(guān)鍵點(diǎn)：判斷單例對(duì)象是否已經(jīng)被構(gòu)造）
        if(instance == null) {
            // 6.1：如果沒有，就創(chuàng)建一個(gè)類實(shí)例，并把值賦值給存儲(chǔ)類實(shí)例的變量
            instance = new Singleton();
        }
        // 6.2：如果有值，那就直接使用
        return instance;
    }
}

為什么這種實(shí)現(xiàn)是線程不安全的呢？如一個(gè)線程A執(zhí)行到singleton = new Singleton();這里，但還沒有獲得對(duì)象(對(duì)象初始化是需要時(shí)間的)，第二個(gè)線程B也在執(zhí)行，執(zhí)行到if(singleton == null)判斷，那么線程B獲得判斷條件也是為真，于是繼續(xù)運(yùn)行下去，線程A獲得了一個(gè)對(duì)象，線程B也獲得了一個(gè)對(duì)象，在內(nèi)存中就出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)象,造成單例模式的失效！！

2. 懶漢式、線程安全

第一次調(diào)用才初始化，避免內(nèi)存浪費(fèi)。絕對(duì)線程安全，但是效率很低，99%情況下不需要同步。必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會(huì)影響效率，并發(fā)性能極差，事實(shí)上完全退化到了串行。

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

或者也可以這樣：

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;   // 關(guān)鍵點(diǎn) 1：聲明單例對(duì)象是靜態(tài)的
    private Singleton() {}                      // 關(guān)鍵點(diǎn) 0：構(gòu)造函數(shù)是私有的
    private static Object obj = new Object();
    public static Singleton GetInstance() {     // 通過靜態(tài)方法來構(gòu)造對(duì)象
        if (instance == null) {                 // 關(guān)鍵點(diǎn) 2：判斷單例對(duì)象是否已經(jīng)被構(gòu)造
            lock(obj) {                         // 關(guān)鍵點(diǎn) 3：加線程鎖
                instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

雖然這里判斷了一次單例對(duì)象是否已經(jīng)被構(gòu)造，但是由于某些情況下，可能有延遲加載或者緩存的原因，只有關(guān)鍵點(diǎn) 2 這一次判斷，仍然不能保證系統(tǒng)是否只創(chuàng)建了一個(gè)單例，也可能出現(xiàn)多個(gè)實(shí)例的情況。

3. 餓漢式

這種方式比較常用，但容易產(chǎn)生垃圾對(duì)象。
優(yōu)點(diǎn)：沒有加鎖，執(zhí)行效率會(huì)提高。
缺點(diǎn)：類加載時(shí)就初始化，浪費(fèi)內(nèi)存。
餓漢單例模式線程安全。
值得注意的時(shí)，單線程環(huán)境下，餓漢與飽漢在性能上沒什么差別；但多線程環(huán)境下，由于飽漢需要加鎖，餓漢的性能反而更優(yōu)。

public class Singleton {  
    // 定義一個(gè)靜態(tài)變量來存儲(chǔ)創(chuàng)建好的類實(shí)例，直接在這里創(chuàng)建類實(shí)例，只會(huì)創(chuàng)建一次
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {  
        return instance;  
    }  
}

也可以這樣寫（使用靜態(tài)初始化塊）：

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

4. 雙重檢查鎖（DCL，即 double-checked locking）

沒有volatile修飾instance的雙重檢查鎖版本仍然是線程不安全的，由于指令重排序，你可能會(huì)得到 “半個(gè)對(duì)象”。

如果使用雙重檢查鎖定來實(shí)現(xiàn)懶漢式單例類，需要在靜態(tài)成員變量instance之前增加修飾符volatile，被volatile修飾的成員變量可以確保多個(gè)線程都能夠正確處理。
由于volatile關(guān)鍵字會(huì)屏蔽Java虛擬機(jī)所做的一些代碼優(yōu)化，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，因此即使使用雙重檢查鎖定來實(shí)現(xiàn)單例模式也不是一種完美的實(shí)現(xiàn)方式。

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

所以，在判斷單例實(shí)例是否被構(gòu)造時(shí)，需要檢測(cè)兩次，在線程鎖之前判斷一次，在線程鎖之后判斷一次，再去構(gòu)造實(shí)例，這樣就萬無一失了。

或者也可以這樣：

public class Singleton {
    private static Singleton instance = null;   // 關(guān)鍵點(diǎn) 1：聲明單例對(duì)象是靜態(tài)的
    private Singleton() {}                      // 關(guān)鍵點(diǎn) 0：構(gòu)造函數(shù)是私有的
    private static Object obj = new Object();
    public static Singleton getInstance() {     // 通過靜態(tài)方法來構(gòu)造對(duì)象
        if (instance == null) {                 // 關(guān)鍵點(diǎn) 2：判斷單例對(duì)象是否已經(jīng)被構(gòu)造
            lock(obj) {                         // 關(guān)鍵點(diǎn) 3：加線程鎖
                if (instance == null) {         // 關(guān)鍵點(diǎn) 4：二次判斷單例是否已經(jīng)被構(gòu)造
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

這個(gè)版本看出優(yōu)秀在哪里了嗎？

• 懶加載
• 確保線程安全
• 只有第一次創(chuàng)建類的時(shí)候可能發(fā)生阻塞，后面由于非空判斷都不會(huì)阻塞
• volatile 用來保證多個(gè)線程并發(fā)時(shí)，訪問的都是內(nèi)存中的同一個(gè) volatile 對(duì)象。

缺點(diǎn)就是仍然可以通過反射等方式產(chǎn)生多個(gè)對(duì)象！

5. 靜態(tài)內(nèi)部類/Holder模式

我們既希望利用餓漢模式中靜態(tài)變量的方便和線程安全；又希望通過懶加載規(guī)避資源浪費(fèi)。Holder 模式滿足了這兩點(diǎn)要求：核心仍然是靜態(tài)變量，足夠方便和線程安全；通過靜態(tài)的 Holder 類持有真正實(shí)例，間接實(shí)現(xiàn)了懶加載。

原理就是說，靜態(tài)內(nèi)部類會(huì)在第一次被使用的時(shí)候被初始化，并且也只會(huì)被初始化一次，所以也包含懶加載和線程安全的特性。

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

StaticSingleton 被加載時(shí)，內(nèi)部類不會(huì)被實(shí)例化，確保 StaticSingleton 類被載入 jvm 時(shí)，不會(huì)被初始化單例類，而當(dāng) getInstance() 方法被調(diào)用時(shí)，才加載 SingletonHolder，從而初始化 instance。同時(shí)用于實(shí)例的建立在類加載時(shí)完成，故天生對(duì)線程友好。

使用內(nèi)部類完成單利模式，既可以做到延遲加載，也不用使用同步關(guān)鍵字，是一種比較完善的做法。

這種寫法仍然使用 JVM 本身機(jī)制保證了線程安全問題；由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外沒有辦法訪問它，因此它是懶漢式的；同時(shí)讀取實(shí)例的時(shí)候不會(huì)進(jìn)行同步，沒有性能缺陷；也不依賴 JDK 版本。

6. 枚舉單例

用枚舉實(shí)現(xiàn)單例模式，相當(dāng)好用，但可讀性是不存在的。
枚舉類型也是在第一次被使用的時(shí)候初始化，并且默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)是 private 修飾，而且線程安全。
以上的單例還是在運(yùn)用各種技巧來實(shí)現(xiàn)，最后一種簡(jiǎn)直是利用規(guī)則來實(shí)現(xiàn)。這種代碼也及其簡(jiǎn)潔，只需要三行就可以實(shí)現(xiàn)，但是可惜的是在面試中并不適用，因?yàn)楹芏嗝嬖嚬倏赡芤膊⒉涣私膺@個(gè)特性，那就是枚舉類。Java 的枚舉類是天生單例的，并且能夠?qū)Χ嗑€程免疫，對(duì)序列化免疫，簡(jiǎn)直是神器。

// 將枚舉的靜態(tài)成員變量作為單例的實(shí)例
public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

面試問題

單例模式實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)

• 私有構(gòu)造函數(shù)(private)：不能由其他類任意 new 單例模式的類
• getInstance()是靜態(tài)方法(static)：因?yàn)橛昧?code>類名.getInstance()來調(diào)用方法
• 聲明靜態(tài)單例對(duì)象：因?yàn)?code>getInstance()方法是static的，由于靜態(tài)方法只能訪問靜態(tài)變量，所以單例對(duì)象instance也必須是static的，而且靜態(tài)變量只會(huì)被初始化一次
• 構(gòu)造單例對(duì)象之前要加鎖（lock 一個(gè)靜態(tài)的 object 對(duì)象）
• 需要兩次檢測(cè)單例實(shí)例是否已經(jīng)被構(gòu)造，分別在鎖之前和鎖之后

為何要檢測(cè)兩次？

有可能延遲加載或者緩存原因，造成構(gòu)造多個(gè)實(shí)例，違反了單例的初衷。

構(gòu)造函數(shù)能否公有化？

不行，單例類的構(gòu)造函數(shù)必須私有化，單例類不能被實(shí)例化，單例實(shí)例只能靜態(tài)調(diào)用

lock 住的對(duì)象為什么要是 object 對(duì)象，可以是 int 嗎？

不行，鎖住的必須是個(gè)引用類型。如果鎖值類型，每個(gè)不同的線程在聲明的時(shí)候值類型變量的地址都不一樣，那么上個(gè)線程鎖住的東西下個(gè)線程進(jìn)來會(huì)認(rèn)為根本沒鎖，相當(dāng)于每次都鎖了不同的門，沒有任何卵用。而引用類型的變量地址是相同的，每個(gè)線程進(jìn)來判斷鎖多想是否被鎖的時(shí)候都是判斷同一個(gè)地址，相當(dāng)于是鎖在通一扇門，起到了鎖的作用。

如何選擇各種實(shí)現(xiàn)方式

俗話說，No silver bullet，每一種實(shí)現(xiàn)都有其適用的場(chǎng)景。那么，我們?nèi)绾芜x擇單例的實(shí)現(xiàn)方式呢？答案是：取決于你所期望的內(nèi)容。

如果你的單例類應(yīng)用頻繁，從系統(tǒng)啟動(dòng)后就需要使用，那么，餓漢式可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。類加載過程便已經(jīng)完成了實(shí)例化的單例，在之后的調(diào)用過程中，無需再進(jìn)行實(shí)例化，也無需害怕因?yàn)榫€程同步導(dǎo)致的性能損耗。

如果你的單例類占用較多資源，并且調(diào)用頻率較低，那么或許 Double-Check 的懶漢式是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在單例使用前，并不會(huì)被實(shí)例化，其所需要的資源也并不會(huì)被占用。

如果你的單例類屬于某一個(gè)類庫(kù)，或許 Double-Check 的懶漢式是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。一個(gè)功能豐富的類庫(kù)中，并非所有的類都會(huì)被使用。然而 ClassLoader 的加載機(jī)制，并不一定會(huì)將其排除至外。所以，一個(gè)懶漢式的單例有可能降低類庫(kù)使用者的資源損耗。

一般來說，如果項(xiàng)目中不需要針對(duì)多線程情況的話，懶漢式、餓漢式的寫法都適用；如果需要保證多線程并行使用推薦靜態(tài)內(nèi)部類和枚舉

懶漢式與惡漢式對(duì)比

懶漢式單例是典型的時(shí)間換空間，每次取值都要時(shí)間做判斷，判斷是否需要?jiǎng)?chuàng)建實(shí)例，當(dāng)然如果沒有外部取值就不會(huì)創(chuàng)建對(duì)象，節(jié)約內(nèi)存空間。
餓漢式單例是典型的空間換時(shí)間，類裝載時(shí)就初始化實(shí)例，不管有沒有訪問取值，不需要做判斷節(jié)約時(shí)間，如果一直沒有外部訪問取值就浪費(fèi)了內(nèi)存空間。

你知道懶加載嗎？是怎么用在單例創(chuàng)建上的？有什么優(yōu)勢(shì)？

如果某個(gè)實(shí)例的創(chuàng)建 (比如數(shù)據(jù)庫(kù)連接池的創(chuàng)建) 需要消耗很多系統(tǒng)資源，就需要引入懶加載機(jī)制。即上面的代碼在類加載時(shí)就創(chuàng)建好了，如果在程序中始終沒用到這個(gè)實(shí)例就會(huì)浪費(fèi)很多系統(tǒng)資源。
為避免這種情況，就引入了懶加載機(jī)制，即在使用這個(gè)實(shí)例的時(shí)候才創(chuàng)建它。

參考資料

設(shè)計(jì)模式干貨系列：（四）單例模式【學(xué)習(xí)難度：★☆☆☆☆，使用頻率：★★★★☆】
單例模式各版本的原理與實(shí)踐
【創(chuàng)建型模式四】單例模式(Singleton)
單例模式（詳解，面試問題）
如何正確地寫出單例模式
單例模式 - 如何簡(jiǎn)單的理解單例模式
Java 設(shè)計(jì)模式學(xué)習(xí)（一） - 單例模式
如何寫線程安全的單例模式
Java 設(shè)計(jì)模式之單例模式
設(shè)計(jì)模式（三）——JDK 中的那些單例