1，基礎(chǔ)概念

Java中單例模式是一種比較常見的設(shè)計模式，單例模式的種類有：餓漢式單例、懶漢式單例、登記式單例三種。

單例模式的特點：

1，單例類中只能有一個實例

2，單例類必須自己創(chuàng)建自己的唯一實例

3，單例類必須給所有其他對象提供這一實例。

單例模式確保某個類中只有一個實例，而且自行實例化并向整個系統(tǒng)提供這個實例。在計算機系統(tǒng)中，線程池、緩存、日志對象、對話框、打印機、顯卡的驅(qū)動程序?qū)ο蟪１辉O(shè)計成單例。這些應(yīng)用都或多或少具有資源管理器的功能。每臺計算機可以有若干通信端口，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)集中管理這些通信端口，以避免一個通信端口同時被兩個請求同時調(diào)用?？傊x擇單例模式就是為了避免不一致狀態(tài)，避免政出多頭。

單例模式的好處：

1，它能夠避免對象的重復(fù)創(chuàng)建，不僅可以減少每次創(chuàng)建對象的時間開銷，還可以節(jié)約內(nèi)存空間。

2，能夠避免由于操作多個實例導(dǎo)致的邏輯錯誤。如果一個對象有可能貫穿整個應(yīng)用程序，而且起到了全局統(tǒng)一管理控制的作用，那么單例模式也許是一個值得考慮的選擇。

單例模式有很多種實現(xiàn)方式，下面會對這幾種實現(xiàn)方式逐一介紹。

2，餓漢模式

public class Singleton{
    private static final Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton(){}
    public static Singleton newInstance(){
        return singleton;
    }
}

從代碼種可以看到，這個類的構(gòu)造函數(shù)是私有的，所以保證其他類不能實例化這個類，然后提供了一個靜態(tài)實例并返回給調(diào)用者。餓漢模式是最簡單的一種設(shè)計單例模式，在類加載的時候就創(chuàng)建實例，實例在整個程序周期都會存在。

餓漢模式的優(yōu)缺點：

優(yōu)點：在類加載的時候創(chuàng)建一次實例，不會存在多個線程創(chuàng)建多個實例的情況，避免了多線程同步的問題。

缺點：它的缺點也很明顯，即使這個單例沒有用到也會被創(chuàng)建，而且在類加載之后就被創(chuàng)建，內(nèi)存就被浪費了。

餓漢模式使用場景：

這種實現(xiàn)方式適合單例占用內(nèi)存比較小，在初始化時就會被用到的情況。但是，如果單例占用的內(nèi)存比較大，或單例只是在某個特定場景下才會用到，使用餓漢模式就不合適了，這時候就需要用到懶漢模式進行延遲加載。

3，懶漢模式

public class Singleton{
    private static final Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton newInstance(){
        if(singleton == null){
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

懶漢模式就是在需要的時候進行實例化，如果單例已經(jīng)創(chuàng)建，再次調(diào)用獲取接口將不會重新創(chuàng)建新的對象，而是直接返回之前創(chuàng)建的對象。如果某個單例使用的次數(shù)少，并且創(chuàng)建單例消耗的資源較多，那么就需要實現(xiàn)單例的按需創(chuàng)建，這個時候使用懶漢模式就是一個不錯的選擇。

但是這種懶漢模式有一個致命的缺點，那就是安全性沒法保證。在多個線程可能會并發(fā)調(diào)用它的getInstance()方法，導(dǎo)致創(chuàng)建多個實例，因此需要加鎖解決線程同步問題，實現(xiàn)如下。

public class Singleton{
    private static final Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static synchronized Singleton newInstance(){
        if(singleton == null){
            singleton = new Singleton();
        }
        return singleton;
    }
}

4，雙重校驗鎖

加鎖的懶漢模式看起來即解決了線程并發(fā)問題，又實現(xiàn)了延遲加載，然而它存在著性能問題，依然不夠完美。synchronized修飾的同步方法比一般方法要慢很多，如果多次調(diào)用getInstance()，累積的性能損耗就比較大了。因此就有了雙重校驗鎖，先看下它的實現(xiàn)代碼。

public class Singleton {
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) {// 2
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

可以看到上面在同步代碼塊外多了一層singleton為空的判斷。由于單例對象只需要創(chuàng)建一次，如果后面再次調(diào)用getInstance()只需要直接返回單例對象。因此，大部分情況下，調(diào)用getInstance()都不會執(zhí)行到同步代碼塊，從而提高了程序性能。不過還需要考慮一種情況，假如兩個線程A、B，A執(zhí)行了if (singleton== null)語句，它會認(rèn)為單例對象沒有創(chuàng)建，此時線程切到B也執(zhí)行了同樣的語句，B也認(rèn)為單例對象沒有創(chuàng)建，然后兩個線程依次執(zhí)行同步代碼塊，并分別創(chuàng)建了一個單例對象。為了解決這個問題，還需要在同步代碼塊中增加if (singleton== null)語句，也就是上面看到的代碼2。

我們看到雙重校驗鎖即實現(xiàn)了延遲加載，又解決了線程并發(fā)問題，同時還解決了執(zhí)行效率問題，是否真的就萬無一失了呢？

這里要提到Java中的指令重排優(yōu)化。所謂指令重排優(yōu)化是指在不改變原語義的情況下，通過調(diào)整指令的執(zhí)行順序讓程序運行的更快。JVM中并沒有規(guī)定編譯器優(yōu)化相關(guān)的內(nèi)容，也就是說JVM可以自由的進行指令重排序的優(yōu)化。

這個問題的關(guān)鍵就在于由于指令重排優(yōu)化的存在，導(dǎo)致初始化Singleton和將對象地址賦給singleton字段的順序是不確定的。在某個線程創(chuàng)建單例對象時，在構(gòu)造方法被調(diào)用之前，就為該對象分配了內(nèi)存空間并將對象的字段設(shè)置為默認(rèn)值。此時就可以將分配的內(nèi)存地址賦值給singleton字段了，然而該對象可能還沒有初始化。若緊接著另外一個線程來調(diào)用getInstance()，取到的就是狀態(tài)不正確的對象，程序就會出錯。

以上就是雙重校驗鎖會失效的原因，不過還好在JDK1.5及之后版本增加了volatile關(guān)鍵字。volatile的一個語義是禁止指令重排序優(yōu)化，也就保證了singleton變量被賦值的時候?qū)ο笠呀?jīng)是初始化過的，從而避免了上面說到的問題。代碼如下：

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

5，靜態(tài)內(nèi)部類

除了上面的三種方式，還有另外一種實現(xiàn)單例的方式，通過靜態(tài)內(nèi)部類來實現(xiàn)。首先看一下它的實現(xiàn)代碼：

public class Singleton{
    private static class SingletonHolder{
        public static Singleton instance = new Singleton();
    }
    private Singleton(){}
    public static Singleton newInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

這種方式同樣利用了類加載機制來保證只創(chuàng)建一個singleton實例。它與餓漢模式一樣，也是利用了類加載機制，因此不存在多線程并發(fā)的問題。不一樣的是，它是在內(nèi)部類里面去創(chuàng)建對象實例。這樣的話，只要應(yīng)用中不使用內(nèi)部類，JVM就不會去加載這個單例類，也就不會創(chuàng)建單例對象，從而實現(xiàn)懶漢式的延遲加載。也就是說這種方式可以同時保證延遲加載和線程安全。

上面四種實現(xiàn)單例模式的方式都有共同的缺點：

1，需要額外的工作來實現(xiàn)序列化，否則每次反序列化一個序列化的對象時都會創(chuàng)建一個新的實例。

2，可以使用反射強行調(diào)用私有構(gòu)造器（如果要避免這種情況，可以修改構(gòu)造器，讓它在創(chuàng)建第二個實例的時候拋異常）。

而枚舉類很好的解決了這兩個問題，使用枚舉除了線程安全和防止反射調(diào)用構(gòu)造器之外，還提供了自動序列化機制，防止反序列化的時候創(chuàng)建新的對象。

6，枚舉

再來看下最后一種實現(xiàn)方式：枚舉。

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

7，小結(jié)

本篇文章介紹了Java中單例模式的五種實現(xiàn)方式，在沒有特殊需求的情況下，個人建議使用雙重校驗鎖和靜態(tài)內(nèi)部類實現(xiàn)單例模式。由于純手打，難免會有紕漏，如果發(fā)現(xiàn)錯誤的地方，請第一時間告訴我，這將是我進步的一個很重要的環(huán)節(jié)。