Java单例模式

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。

应用实例：

• 1、一个班级只有一个班主任。
• 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
• 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

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（比如管理学院首页页面缓存）。
• 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

**缺点：**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。

使用场景：

• 1、要求生产唯一序列号。
• 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
• 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

**注意事项：**getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo，我们的演示类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

1、懒汉式，线程不安全

public class SingleObject {
   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
 
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
 
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
}

public static void main(String[] args) {
	//懒汉式
	System.out.println(SingleObject.getInstance());
}

**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。

2、懒汉式，线程安全

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

public static void main(String[] args) {
	//懒汉式
	System.out.println(Singleton.getInstance());
}

**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）。

3、饿汉式

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

public static void main(String[] args) {
	//饿汉模式
	System.out.println(Singleton.getInstance());
}

**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。

4、登记式/静态内部类

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

public static void main(String[] args) {
	//静态类内部加载
	System.out.println(Singleton.getInstance());
}

**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。

5、枚举方法

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

public static void main(String[] args){
	Singleton.INSTANCE.whateverMethod();
}

**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。

Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式，在我看来简直是来自神的写法。解决了以下三个问题：

(1)自由序列化。

(2)保证只有一个实例。

(3)线程安全。

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

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;  
    }  
}

public static void main(String[] args) {
	System.out.println(Singleton.getInstance());
}

**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。

接下来解释一下在并发时，双重校验锁法会有怎样的情景：

STEP 1. 线程A访问getInstance()方法，因为单例还没有实例化，所以进入了锁定块。

STEP 2. 线程B访问getInstance()方法，因为单例还没有实例化，得以访问接下来代码块，而接下来代码块已经被线程1锁定。

STEP 3. 线程A进入下一判断，因为单例还没有实例化，所以进行单例实例化，成功实例化后退出代码块，解除锁定。

STEP 4. 线程B进入接下来代码块，锁定线程，进入下一判断，因为已经实例化，退出代码块，解除锁定。

STEP 5. 线程A初始化并获取到了单例实例并返回，线程B获取了在线程A中初始化的单例。

理论上双重校验锁法是线程安全的，并且，这种方法实现了lazyloading。

经验之谈

一般情况下，不建议使用懒汉方式，建议使用饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用双检锁方式。