單例模式（Singleton Pattern）是眾多設(shè)計(jì)模式中較為簡單的一個(gè)，同時(shí)它也是面試時(shí)經(jīng)常被提及的問題，如何理解單例模式？單例模式又有何應(yīng)用？且聽我慢慢道來。

概念

• 定義：單例模式確保一個(gè)類只有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)全局訪問點(diǎn)。

• 單例模式只涉及到了一個(gè)類，該類負(fù)責(zé)創(chuàng)建它自己的對象（事實(shí)上，其他類都沒辦法創(chuàng)建它的對象），同時(shí)確保只生成一個(gè)對象。這個(gè)類提供了一種訪問其唯一對象的方式，可以直接訪問，不需要實(shí)例化該類。

• 有很多對象其實(shí)我們只需要一個(gè)，比如：線程池（threadpool）、緩存（cache）、對話框、驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)庫連接池等等。

• 優(yōu)點(diǎn)：

  1. 在內(nèi)存里只有一個(gè)實(shí)例，減少了內(nèi)存的開銷，尤其是頻繁的創(chuàng)建和銷毀實(shí)例。

  2. 避免對資源的多重占用（比如寫文件操作）。

  3. getInstance() 方法是靜態(tài)的，這意味著它是一個(gè)類方法，所以可以在任何地方使用 Singleton.getInstance() 訪問它。這和全局變量一樣簡單，但多了優(yōu)點(diǎn)：延遲實(shí)例化。

• 缺點(diǎn)：沒有接口，不能繼承，與單一職責(zé)原則沖突，一個(gè)類應(yīng)該只關(guān)心內(nèi)部邏輯，而不關(guān)心外面怎么樣來實(shí)例化。

如何編寫？

a.線程不安全的懶漢式

• 我們先從最簡單的開始，線程不安全的懶漢式入手。

• 判斷是否存在這個(gè)單例，如果有則返回，如果沒有則創(chuàng)建。

• 關(guān)鍵：構(gòu)造函數(shù)是私有的（private）。

• 代碼：

    public class Singleton{
    
        private static Singleton uniqueInstance;
    
        //一些其他的有用的實(shí)例化變量
    
        private Singleton(){}
    
        public static Singleton getInstance(){
            if(uniqueInstance == null){
                uniqueInstance = new Singleton();
            }
            return uniqueInstance;
        }
  
        //一些其他的有用的方法
    
    }
  

• 層層剖析：

    private static Singleton uniqueInstance;
  

  利用一個(gè)靜態(tài)（static）變量來記錄 Singleton 類的唯一實(shí)例。

  static 關(guān)鍵字：Java 中被 static 修飾的成員稱為靜態(tài)成員或類成員。它屬于整個(gè)類所有，而不是某個(gè)對象所有，即被類的所有對象所共享。靜態(tài)成員可以使用類名直接訪問，也可以使用對象名進(jìn)行訪問

  ---

    private Singleton(){}
  

  把構(gòu)造器聲明為私有的（private），這樣，只有 Singleton 類內(nèi)部才能調(diào)用構(gòu)造器。

  ---

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

  1. 用 getInstance() 方法實(shí)例化對象，并返回這個(gè)實(shí)例。

  2. 判斷是否存在這個(gè)單例，如果有則返回，如果沒有則創(chuàng)建。

  3. 創(chuàng)建時(shí)，調(diào)用 Singleton 類的構(gòu)造器，滿足“由該類自己創(chuàng)建自己的實(shí)例”

  4. 如果我們不調(diào)用 getInstance() 方法，那實(shí)例就永遠(yuǎn)不會(huì)產(chǎn)生，這就是“延遲實(shí)例化”（lazy instantiaze）

  ---

• 這種方法是最簡單的單例模式，又稱的線程不安全的懶漢式，特點(diǎn)如下：

  描述：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。
  這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工作。

  是否 Lazy 初始化：是

  是否多線程安全：否

  實(shí)現(xiàn)難度：易

多線程問題

b.線程安全的懶漢式

• 上文我們層層剖析了單例模式是如何編寫的，以及各行代碼是什么意義，但仔細(xì)思考，這樣并不嚴(yán)謹(jǐn)。

• 如果僅僅像上文那樣編寫代碼，那么可能會(huì)產(chǎn)生多線程不同步的問題，有可能兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入 getInstance() 方法，并且在 if 判斷時(shí)，因?yàn)闀r(shí)間相差無幾，都從 JVM 中得到了繼續(xù)執(zhí)行的指示：創(chuàng)建實(shí)例，于是產(chǎn)生了兩個(gè)實(shí)例。

• 多線程同步，其實(shí)很簡單，只需要為 getInstance() 方法加上 Synchronized 關(guān)鍵字即可，這樣就是線程安全的懶漢式，代碼如下：

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

  Synchronized 確保每個(gè)線程在進(jìn)入這個(gè)方法前，都會(huì)檢查是否有其他線程正在調(diào)用該方法，如果沒有則進(jìn)入，這樣就不會(huì)有兩個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入這個(gè)方法

• 特點(diǎn)：

  描述：這種方式具備很好的 lazy loading，能夠在多線程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情況下不需要同步。

  優(yōu)點(diǎn)：第一次調(diào)用才初始化，避免內(nèi)存浪費(fèi)。

  缺點(diǎn)：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會(huì)影響效率。
  getInstance() 的性能對應(yīng)用程序不是很關(guān)鍵（該方法使用不太頻繁）。

  是否 Lazy 初始化：是

  是否多線程安全：是

  實(shí)現(xiàn)難度：易

改善多線程

• 不要以為加上了 synchronized 就萬事大吉了，再想想：這個(gè)類不是只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例嗎？那也就是說，只有在第一次進(jìn)入的時(shí)候才要預(yù)防多線程同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，一旦實(shí)例被創(chuàng)建，那之后的多線程同時(shí)進(jìn)入 getInstance() 方法也沒什么大不了的。Synchronized 同步好像變成了一種累贅，拖垮程序性能。

• 自然我們會(huì)思考，有沒有什么辦法能在第一次的時(shí)候同步，之后就不在意同步了呢？

c.雙重校驗(yàn)鎖

• 利用雙重校驗(yàn)鎖（double-checked locking）來為我們完成預(yù)期目標(biāo)，它會(huì)首先檢查實(shí)例是否已經(jīng)創(chuàng)建了，如果尚未創(chuàng)建才進(jìn)行同步。

• 這種方式采用雙鎖機(jī)制，安全且在多線程情況下能保持高性能，當(dāng) getInstance() 的性能對應(yīng)用程序很關(guān)鍵時(shí)推薦用雙重校驗(yàn)鎖的方式。

• 代碼：

    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;
        }
    
    }
  

• 特點(diǎn)：

  JDK 版本：JDK1.5 起

  是否 Lazy 初始化：是

  是否多線程安全：是

  實(shí)現(xiàn)難度：較復(fù)雜

d.餓漢式

• 餓漢式：它基于 classloder 機(jī)制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時(shí)就實(shí)例化，雖然導(dǎo)致類裝載的原因有很多種，在單例模式中大多數(shù)都是調(diào)用 getInstance 方法， 但是也不能確定有其他的方式（或者其他的靜態(tài)方法）導(dǎo)致類裝載，這時(shí)候初始化 instance 顯然沒有達(dá)到 lazy loading 的效果。

• 利用這個(gè)辦法，我們依賴 JVM 在加載這個(gè)類時(shí)馬上創(chuàng)建該類的唯一實(shí)例，JVM 保證了在任何線程訪問 uniqueInstance 靜態(tài)變量之前，一定先創(chuàng)建該實(shí)例。

• 代碼：

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

• 特點(diǎn)：

  這種方式比較常用，但容易產(chǎn)生垃圾對象。

  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。

  是否 Lazy 初始化：否

  是否多線程安全：是

  實(shí)現(xiàn)難度：易

其他實(shí)現(xiàn)方式

e.登記式/靜態(tài)內(nèi)部類

• 這種方式同樣利用了 classloder 機(jī)制來保證初始化 instance 時(shí)只有一個(gè)線程，它跟餓漢式不同的是：餓漢式只要 Singleton 類被裝載了，那么 instance 就會(huì)被實(shí)例化（沒有達(dá)到 lazy loading 效果），而這種方式是 Singleton 類被裝載了，instance 不一定被初始化。因?yàn)?SingletonHolder 類沒有被主動(dòng)使用，只有顯示通過調(diào)用 getInstance 方法時(shí)，才會(huì)顯示裝載 SingletonHolder 類，從而實(shí)例化 instance。

• 想象一下，如果實(shí)例化 instance 很消耗資源，所以想讓它延遲加載，另外一方面，又不希望在 Singleton 類加載時(shí)就實(shí)例化，因?yàn)椴荒艽_保 Singleton 類還可能在其他的地方被主動(dòng)使用從而被加載，那么這個(gè)時(shí)候?qū)嵗?instance 顯然是不合適的。這個(gè)時(shí)候，這種方式相比餓漢式就顯得很合理。

• 代碼：

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

• 特點(diǎn)：

  描述：這種方式能達(dá)到雙檢鎖方式一樣的功效，但實(shí)現(xiàn)更簡單。對靜態(tài)域使用延遲初始化，應(yīng)使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用于靜態(tài)域的情況，雙檢鎖方式可在實(shí)例域需要延遲初始化時(shí)使用。

  登記式/靜態(tài)內(nèi)部類

  是否 Lazy 初始化：是

  是否多線程安全：是

  實(shí)現(xiàn)難度：一般

f.枚舉

• 描述：這種實(shí)現(xiàn)方式還沒有被廣泛采用，但這是實(shí)現(xiàn)單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動(dòng)支持序列化機(jī)制，絕對防止多次實(shí)例化。

• 這種方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不僅能避免多線程同步問題，而且還自動(dòng)支持序列化機(jī)制，防止反序列化重新創(chuàng)建新的對象，絕對防止多次實(shí)例化。不過，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用這種方式寫不免讓人感覺生疏，在實(shí)際工作中，也很少用。

• 不能通過 reflection attack 來調(diào)用私有構(gòu)造方法。

• 代碼實(shí)例：

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

• 特點(diǎn)：

  JDK 版本：JDK1.5 起

  是否 Lazy 初始化：否

  是否多線程安全：是

  實(shí)現(xiàn)難度：易

經(jīng)驗(yàn)之談

一般情況下，不建議使用懶漢式（不管線程安全不安全），建議使用餓漢式。只有在要明確實(shí)現(xiàn) lazy loading 效果時(shí)，才會(huì)使用登記方式。如果涉及到反序列化創(chuàng)建對象時(shí)，可以嘗試使用枚舉方式。如果有其他特殊的需求，可以考慮使用雙檢鎖方式。

本文參考：

單例模式 | 菜鳥教程：http://www.runoob.com/design-pattern/singleton-pattern.html

《Head First 設(shè)計(jì)模式》