15.单例模式

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本文详细介绍了Java中的单例模式实现，包括懒汉式（线程不安全和线程安全版本）、饿汉式、双重检查锁定以及静态内部类和枚举方式，讨论了它们的优缺点和线程安全性保障机制。

文章目录

单例模式
懒汉式（线程不安全）
懒汉式（线程安全，同步方法）
饿汉式（线程安全）
双重检查锁定（Double-Checked Locking）
静态内部类
枚举

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种创建型设计模式，其主要目的是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。这样的实例通常用于控制对资源的访问，例如数据库连接、线程池、日志对象等。

在单例模式中，类负责创建自己的唯一实例，并提供一个静态方法让外部代码访问该实例。

下面我们来实现单例模式。

懒汉式（线程不安全）

懒汉式是指在第一次调用 getInstance 方法时才会创建实例。这种实现方式在多线程环境下是不安全的。

public class LazySingleton {
    private static LazySingleton instance;

    private LazySingleton() {}

    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

懒汉式（线程安全，同步方法）

在懒汉式的基础上，通过添加 synchronized 关键字来保证线程安全。但这种方式会带来性能问题，因为每次获取实例都要进行同步。

public class SynchronizedLazySingleton {
    private static SynchronizedLazySingleton instance;

    private SynchronizedLazySingleton() {}

    public static synchronized SynchronizedLazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SynchronizedLazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

饿汉式（线程安全）

饿汉式是指在类加载的时候就创建实例，因此不存在多线程环境下的线程安全问题。但在类加载时就创建实例，可能造成资源浪费。

public class EagerSingleton {
    private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

    private EagerSingleton() {}

    public static EagerSingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

双重检查锁定（Double-Checked Locking）

通过双重检查锁定机制，在懒汉式的基础上进行优化，提高了性能。

public class DoubleCheckedLockingSingleton {
    private static volatile DoubleCheckedLockingSingleton instance;

    private DoubleCheckedLockingSingleton() {}

    public static DoubleCheckedLockingSingleton getInstance() {
        if (instance == null) {  // 第一次检查
            synchronized (DoubleCheckedLockingSingleton.class) {
                if (instance == null) {  // 第二次检查
                    instance = new DoubleCheckedLockingSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

第一次检查：主要是为了避免不必要的同步开销。当实例已经创建后，不再需要进入同步块，直接返回已创建的实例。
第二次检查：在同步块内进行创建实例的操作，如果没有第二次检查，可能会导致多个线程都通过第一次检查，进入同步块，然后其中一个线程创建了实例，而其他线程没有再次检查，也会再次创建实例，破坏了单例的原则。
使用 volatile 关键字修饰 instance 变量，确保多线程环境下的可见性。在 Java 5 及以上的版本，volatile 关键字的语义已经有了明确的规定，可以保证双重检查锁定在多线程环境下的正确性。

静态内部类

通过静态内部类的方式实现单例模式，利用了类加载的机制，保证了线程安全。

public class StaticInnerClassSingleton {
    private StaticInnerClassSingleton() {}

    private static class SingletonHolder {
        private static final StaticInnerClassSingleton instance = new StaticInnerClassSingleton();
    }

    public static StaticInnerClassSingleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

类加载时的线程安全性：类加载过程中，当类被加载到内存中时，类初始化阶段是由 JVM 负责的，它保证了在多线程环境下，一个类只会被初始化一次。这是通过类加载器的锁机制来实现的。
静态内部类的延迟加载：静态内部类不会在外部类加载时立即被加载，而是在第一次使用时才被加载。由于类加载和初始化是线程安全的，所以静态内部类的加载也是线程安全的。

类加载机制

在 Java 中，类加载器（ClassLoader）是负责加载 Java 类的机制。类加载器的主要任务是将类的字节码加载到内存中，并转换为一个 Class 类型的对象。类加载器通过委托模型（Delegation Model）来实现对类的加载，同时采用了一些机制确保类只被初始化一次。

类加载器的工作原理：

加载（Loading）：类加载器负责将类的字节码加载到内存中。
链接（Linking）：链接阶段包括验证、准备和解析。其中，验证是确保字节码符合 Java 虚拟机规范，准备是为类的静态变量分配内存并设置默认初始值，解析是将符号引用转换为直接引用。
初始化（Initialization）：在类初始化阶段，执行类的初始化代码。这个阶段是延迟进行的，即在对类的第一次主动使用时才会触发。

为什么类加载器能够实现一个类只被初始化一次：

委派模型： Java 的类加载器采用了委派模型，即每个类加载请求都会先委派给父类加载器处理。这样可以保证同一个类不会被多个类加载器重复加载。
类初始化锁：在类初始化阶段，类加载器会使用一个互斥锁，确保只有一个线程能够初始化该类。这样可以避免多个线程同时初始化同一个类，保证线程安全性。
初始化标记：类加载器在完成对类的初始化后，会在内部使用一个标记，表明该类已经被初始化过。当其他类加载器尝试再次加载同一个类时，会检查这个标记，避免重复初始化。

枚举

枚举方式是 JDK 1.5 之后引入的，它天生就是线程安全的，而且可以防止反射和反序列化攻击。

public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;

    // 可以添加其他方法和属性
}