单例模式

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本文深入探讨了单例模式的各种实现方式，包括懒汉式、饿汉式、登记式及枚举类单例，分析了它们的优缺点及适用场景，特别关注线程安全和性能问题。

java中单例模式是一种常见的设计模式。单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态。单例模式有以下特点：

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

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。

单例模式特点
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

缺点：
1、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
2、初始化的线程安全问题
3、反序列化破坏单例

单例模式的应用场景：

在应用场景中，某类只要求生成一个对象的时候
当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度
当某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候

懒汉式单例

//懒汉式单例类.在第一次调用的时候实例化自己 
public class Singleton {
    private Singleton() {}
    private static Singleton single=null;
    //静态工厂方法 
    public static Singleton getInstance() {
         if (single == null) {  
             single = new Singleton();
         }  
        return single;
    }
}

Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。
但是以上懒汉式单例的实现没有考虑线程安全问题，并发环境下很可能出现多个Singleton实例，要实现线程安全，有以下三种方式，都是对getInstance这个方法改造，保证了懒汉式单例的线程安全。

在getInstance方法上加同步

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

通过synchronized关键字使得线程获得Single1类的内置锁从而保证每次只有一个线程执行getInstance()。

双重检查锁定（DCL,volatile+双重锁校验）

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

双重检查的单例模式把同步从方法级别移到方法内部，只对必要的代码块进行同步；注意这里有两个判空，所以称为双重检查。第一次判空是所有线程都会执行的，当线程1判空后，就会获取Single1类的内置锁，线程1则势必会执行single1 = new Single1()，生成single1实例；假如线程1在执行同步代码块的时候，线程2进入方法getInstance，第一次判空为true，此时Single1的内置锁被线程1占有，因此被阻塞，当线程1执行完后退出同步代码块释放Single1的内置锁，线程2就会进入同步代码块，此时若线程3进来，因为线程1已经生成single1对象，所以线程3的第一次判空为false，则线程3执行返回对象，线程2进行第二次判空同样为false，直接返回single1实例。后面的线程在第一个判空处便为false。
双重检查单例模式的特点：线程安全，延迟加载，效率高。声明single1对象时，使用了volatile关键字，可以保证single1对象的可见性和有序性；这是防止指令重排从而保证single1对象的唯一。

静态内部类

// 既实现了线程安全，又避免了同步带来的性能影响。
public class Singleton {  
    private static class LazyHolder {  
       private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    private Singleton (){}  
    public static final Singleton getInstance() {  
       return LazyHolder.INSTANCE;  
    }  
}

静态内部类的单例模式与饿汉式单例模式有点类似，唯一的不同在于，饿汉式单例模式中单例对象是随着Single2类加载而生成，而静态内部类单例模式则通过静态内部类产生单例对象，其利用静态内部类不会随着外部类的加载而加载的特性使得当getInstance方法被调用后Single4Inner类才会被加载，从而生成SINGLE4对象，同时用static和final修饰，保证只会生成一个SINGLE4对象，保证了其线程的安全。

饿汉式单例

//饿汉式单例类.在类初始化时，已经自行实例化 
public class Singleton1 {
    private Singleton1() {}
    private static final Singleton1 single = new Singleton1();
    //静态工厂方法 
    public static Singleton1 getInstance() {
        return single;
    }
}

饿汉式在类创建的同时就已经创建好一个静态的对象供系统使用，以后不再改变，所以天生是线程安全的。

饿汉式和懒汉式区别

单例模式为一个面向对象的应用程序提供了对象惟一的访问点，不管它实现何种功能，整个应用程序都会同享一个实例对象。饿汉式是类一旦加载，就把单例初始化完成，保证getInstance的时候，单例是已经存在的了，而懒汉式只有当调用getInstance的时候，才会去初始化这个单例。另外从以下两点再区分以下这两种方式：

线程安全：
饿汉式天生就是线程安全的，可以直接用于多线程而不会出现问题。懒汉式本身是非线程安全的，为了实现线程安全有几种写法，参照之前写法。
资源加载和性能：
饿汉式在类创建的同时就实例化一个静态对象出来，不管之后会不会使用这个单例，都会占据一定的内存，但是相应的，在第一次调用时速度也会更快，因为其资源已经初始化完成。而懒汉式会延迟加载，在第一次使用该单例的时候才会实例化对象出来，第一次调用时要做初始化，如果要做的工作比较多，性能上会有些延迟，之后就和饿汉式一样了。至于1、2、3这三种实现又有些区别，第1种，在方法调用上加了同步，虽然线程安全了，但是每次都要同步，会影响性能，毕竟99%的情况下是不需要同步的；第2种，在getInstance中做了两次null检查，确保了只有第一次调用单例的时候才会做同步，这样也是线程安全的，同时避免了每次都同步的性能损耗；第3种，利用了classloader的机制来保证初始化instance时只有一个线程，所以也是线程安全的，同时没有性能损耗，所以一般我倾向于使用这一种。

登记式单例

//类似Spring里面的方法，将类名注册，下次从里面直接获取。
public class Singleton3 {
    private static Map<String,Singleton3> map = new HashMap<String,Singleton3>();
    static{
        Singleton3 single = new Singleton3();
        map.put(single.getClass().getName(), single);
    }
    //保护的默认构造子
    protected Singleton3(){}
    //静态工厂方法,返还此类惟一的实例
    public static Singleton3 getInstance(String name) {
        if(name == null) {
            name = Singleton3.class.getName();
            System.out.println("name == null"+"--->name="+name);
        }
        if(map.get(name) == null) {
            try {
                map.put(name, (Singleton3) Class.forName(name).newInstance());
            } catch (InstantiationException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return map.get(name);
    }
    //一个示意性的商业方法
    public String about() {    
        return "Hello, I am RegSingleton.";    
    }    
    public static void main(String[] args) {
        Singleton3 single3 = Singleton3.getInstance(null);
        System.out.println(single3.about());
    }
}

登记式单例实际上维护了一组单例类的实例，将这些实例存放在一个Map（登记薄）中，对于已经登记过的实例，则从Map直接返回，对于没有登记的，则先登记，然后返回。登记式单例用的比较少，其内部实现还是用的饿汉式单例，因为其中的static方法块，它的单例在类被装载的时候就被实例化了。

枚举类单例模式

public enum Single5 {
	SINGLE_5;
	public Single5 getInstance() {
		return SINGLE_5;
	}
}

枚举类单例模式是最实用的一种单例模式。枚举类本身带有私有的构造方法，而每个枚举对象都是static和final修饰的对象，表明对象只能被实例化一次，所以在枚举实例的时候就会产生单例。枚举实现单例的好处：

JVM底层实现保证线程安全
防止反序列化使用反射破坏单例唯一性