设计模式：Java设计模式之单例模式

设计模式相关文章，用于整理网络中对应的设计模式的一些解读。

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最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。

注意

1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

介绍

意图：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。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

实例应用

以下实例来源于微信公众号（Java知音）文章，设计模式是什么鬼（单例）

单例，顾名思义，整个系统其实就只有一个实例存在，不能再多，否则就不叫单例。那我们把整个宇宙看做是一个庞大的系统，这宇宙里有各种对象存在，人啊，动物啊，植物啊不胜枚举，这些都是实例，丰富多彩的世界是美好的。然而，持续几千年的战争给世界带来了巨大灾难，尤其是宗教战争最为残忍，各个信仰间存在极大的世界观价值观冲突。

单印度一个国家就有几百个神，人们各信各的，风俗各异，各邦文化冲突不断，语言不通，办事效率极低。

为了让幸福美好洒满人间，那我们就定义一位神吧，独一无二的神。

我们先写一个God类吧，类中空空如也，世界如此清净，虚无缥缈。

public class God {

}

首先我们得保证任何人都不能去创建神的实例，否则如：new God()，这样世界又要陷入战争的灾难，各种造神运动，或是某天又出来个什么神棍先知告诉信徒说他们肚子里有个轮子。那就不写构造方法吧？不行，因为有默认的无参构造器！那就把构造方法改成private吧，也就是神可以自己创造自己，但别人不能。

public class God {
    private God(){}//构造方法私有化
}

God类里面封装一个God自己，对，一切都是神创造的，包括我们人类。有人开始质疑，那神是谁？神自己是谁造的？这是个哲学问题。神说“I am who I am.” 我是我所是，我就是我，自有永有，超越时空。很逆天吧？好吧，谁也不能造上帝，神自己造自己。

public class God {
    private static final God god = new God();//自有永有的神单例
    private God(){}//构造方法私有化
}

以上private关键字保证了上帝的私有性，不可见性，不可访问性，我想没有活人见过上帝吧？static关键字保证上帝的静态性，他与类同在，不依赖于类的实例化就自有永有，他将在内存中永生，GC垃圾回收器也回收不了他。final关键字则保证这位神是和常量，衡量，他是终极上帝，不能再改。

正如同静态方法main()，不需要实例化类就能运行的入口，同样我们需要一个静态方法getInstance()来请神，方法体内我们就返回这个在唯一的真神，当然方法它必须是public公开的，不然谁都访问不了。

public class God {
    private static final God god = new God();//自有永有的神单例
    private God(){}//构造方法私有化
    public static God getInstance(){//请神方法公开化
        return god;
    }
}

以上的神类雏形已经写好了，当然你还可以加其他的功能方法，比如说创世纪神造了光，造了世界、动物、人、亚当夏娃等等功能，我们这里就不在赘述了。那对于外部来说只要调用God.getInstance();就可以拿到神了，而且不管谁拿，拿几次，都是同一个神，这样就保证了整个系统中神的唯一性，不可伪造性，至于其他先知那也只是神的代理人，只能帮请神而已。

好了，其实我们已经学会了单例模式的“痴汉模式（Eager load）”，代码第一行一开始就造出了神（new God那一句），已经准备好了随时给你请神，这样就有了一个问题，如果没人请神那不是白造了？提前备货如果价格跌了不是很惨？反应在系统中的问题就是占用了内存空间。于是又有了“懒汉模式（Lazy load）”

public class God {
    private static God god;//这里不进行实例化
    private God(){}
    public static God getInstance() {
        if (god == null) {//如果无神才造神
            god = new God();
        }
        return god;
    }
}

这我们看到一开始就没有造神，只有某人第一次求神时才实例化，之后再求的就直接返回了。这样的好处是省了一段时间的内存（无求神期间），坏处是第一次请神的时候速度相较之前的痴汉模式会慢，因为要消耗CPU去造神。

其实这么写是在多线程模式下是有陷阱的，试想多人同时并发请神的话，依然会造成多神，好吧我们再来改良一下，把请神方法加上synchronized，声明为同步方法，某线程调用前必须获取同步锁，调用完后会释放锁给其他线程用，也就是请神的必须排队，大家一个一个按顺序来。

public class God {
    private static God god;//这里不进行实例化
    private God(){}
    public static synchronized God getInstance() {//此处加入同步
        if (god == null) {//如果无神才造神
            god = new God();
        }
        return god;
    }
}

然而，这样做是要付出代价的，还没进庙呢不管三七二十一请神的直接给加锁排队，结果队伍从北边的庙排到了南天门，人们都要来一个一个拜佛求神，这造成了巨大时间浪费，没有充分利用CPU资源并发优势（特别是多核情况）。好吧，那还是让人们抢好了，但依然得保证单例神的情况下。

这里我们去掉方法上的同步关键字，换到方法体内部做同步，整个方法开放并发大家都可以同时入庙，当然起早贪黑的虔诚信徒们要抢头香是必须要入堂排队的。一旦头香诞生，那其他抢香的都白早起，白排队了。再之后的事情我们都可以预见了，头注香被抢后堂内排队再无必要来了，大家可以在堂外同时并发拜佛求神，这就极大的利用了CPU资源。简而言之：只有第一批抢头香的在排队，之后大家都不必排队了，代码如下。

public class God {
    private volatile static God god;
    private God(){} 
    public static God getInstance() {//庙是开放的不用排队进入
        if (god == null) {//如果头柱香未产生，这批抢香人进入堂内排队。
            synchronized(God.class){
                if (god == null) {//只有头香造了神，其他抢香的白排队了
                    god = new God();
                }
            }
        }
        //此处头柱香产生后不必再排队
        return god;
    }
}

其实在这之上还发展出了各种各样的单例模式变种，我们这里只讲了最基础的两种，其实他们都各有优缺，我们要做到灵活运用，各取所需。对于我个人来讲倾向于痴汉模式，现在内存成本根本不算问题，况且迟早要被实例化占用内存，加锁解锁更是一种浪费，还有同步效率低等问题，如果上帝不是很占空间那就没必要去懒汉延迟加载，越复杂问题越多，风险越大。

单例模式的几种实现方式

懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

实现难度：易

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。

实例：

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

懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：易

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）。

实例：

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

饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

描述：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。
它基于 classloader 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。

实例：

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

双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

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

描述：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。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。

实例：

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;  
    }  
}

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

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。
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 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，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 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，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

实例：

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

枚举

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

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。

实例：

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

经验之谈：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 3 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 4 种双检锁方式。