设计模式 - 单例模式

目录

一. 前言

二. 常见的六种实现方式

2.1. 饿汉式 - 线程安全

2.2. 懒汉式 - 线程不安全

2.3. 懒汉式 - 线程安全

2.4. 双重校验锁 - 线程安全

2.5. 静态内部类

2.6. 枚举实现

三. 总结

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一. 前言

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。确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

二. 常见的六种实现方式

2.1. 饿汉式 - 线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被多次实例化，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

public class Singleton {
    private static final Singleton uniqueInstance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

静态块方式：

public class Singleton {
    private static final Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    static {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return uniqueInstance;
    }
}

2.2. 懒汉式 - 线程不安全

以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致多次实例化 uniqueInstance。

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

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

2.3. 懒汉式 - 线程安全

只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了多次实例化 uniqueInstance 的问题。但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，因此性能上有一定的损耗。

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

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

2.4. 双重校验锁 - 线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程同时执行 if 语句，那么两个线程就会同时进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化，从而产生了两个实例。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句。

if (uniqueInstance == null) {
    synchronized (Singleton.class) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
}

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的。uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：1. 分配内存空间；2. 初始化对象；3. 将 uniqueInstance 指向分配的内存地址。

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，有可能执行顺序变为了 1 -> 3 -> 2，这在单线程情况下自然是没有问题。但如果是多线程下，有可能获得是一个还没有被初始化的实例，以致于程序出错。使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

2.5. 静态内部类

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由虚拟机提供了对线程安全的支持。

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
}

当 Singleton 类加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例。

2.6. 枚举实现

这是单例模式的最佳实践，它实现简单，并且在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候，能够防止实例化多次。

public enum Singleton {
    uniqueInstance;
}

考虑以下单例模式的实现，该 Singleton 在每次序列化的时候都会创建一个新的实例，为了保证只创建一个实例，必须声明所有字段都是 transient，并且提供一个 readResolve() 方法。

public class Singleton implements Serializable {
    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

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

如果不使用枚举来实现单例模式，会出现反射攻击，因为通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象。如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止实例化第二个对象的代码。

从上面的讨论可以看出，解决序列化和反射攻击很麻烦，而枚举实现不会出现这两种问题，所以说枚举实现单例模式是最佳实践。

三. 总结

实现方式	原理	优点	缺点
饿汉模式	依赖JVM类加载机制保证实例只被创建1次	1.代码简单，创建单例最简单的一种方式 。 2.线程安全 3.速度快，类加载时已经初始化	浪费资源。没有调用对象，也会创建
懒汉模式 - 线程不安全	类加载时先不自动创建实例，需要时才手动创建	1.按需加载 2.节约资源	1.线程不安全
懒汉模式 - 线程安全	使用同步锁sychronized锁住方法块	1.线程安全 2.按需加载 3.节约资源	效率低下，锁的粒度太大，每次调用都会进行线程同步
懒汉模式 - 双重校验	为了在多线程环境下，不影响程序的性能，不让线程每次调用方法时都加锁，而只是在实例未被创建时加锁，在加锁处理里面还需要判断一次实例是否已存在	1.线程安全 2.按需加载 3.节约资源 4.效率较高	1.实现复杂，多重判断
静态内部类	在静态内部类里面创建实例，在半截该内部类时才会创建实例	1.线程安全 2.按需加载 3.节省资源	1.第一次加载时反应不够快 2.内部类会一直存在
枚举	利用枚举特性实现	1.线程安全 2.防止反序列化、反射破坏单例	灵活性不足