一、概述
单例模式是设计模式中相对简单且非常常见的一种设计模式，但是同时也是非常经典的高频面试题，相信还是有很多人在面试时会挂在这里。本篇文章主要针对单例模式做一个回顾，记录单例模式的应用场景、常见写法、针对线程安全进行调试（看得见的线程）以及总结。相信大家看完这篇文章之后，对单例模式有一个非常深刻的认识。
文章中按照常见的单例模式的写法，由浅入深进行讲解记录；以及指出该写法的不足，从而进行演进改造。
秉承废话少说的原则，我们下面快速开始
二、定义
单例模式(Singleton Pattern)是指确保一个类在任何情况下都绝对只有一个实例，并提供一个全局访问点。
单例模式是创建型模式。
三、应用场景
- 生活中的单例：例如，国家主席、公司 CEO、部门经理等。
- 在
Java世界中：ServletContext、ServletContextConfig等; - 在
Spring框架应用中：ApplicationContext、数据库的连接池也都是单例形式。
四、常见的单例模式写法
单例模式主要有：饿汉式单例、懒汉式单例（线程不安全型、线程安全型、双重检查锁类型、静态内部类类型）、注册式（登记式）单例（枚举式单例、容器式单例）、
ThreadLocal线程单例
下面我们来看看各种模式的写法。
1、饿汉式单例
饿汉式单例是在类加载的时候就立即初始化，并且创建单例对象。绝对线程安全，在线程还没出现以前就是实例化了，不可能存在访问安全问题。
Spring 中 IOC 容器 ApplicationContext 就是典型的饿汉式单例
优缺点
优点：没有加任何的锁、执行效率比较高，在用户体验上来说，比懒汉式更好。
缺点：类加载的时候就初始化，不管用与不用都占着空间，浪费了内存，有可能占着茅坑不拉屎。
写法
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 上午9:26
*/
public class HungrySingleton {
// 1.私有化构造器
private HungrySingleton (){}
// 2.在类的内部创建自行实例
private static final HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
// 3.提供获取唯一实例的方法（全局访问点）
public static HungrySingleton getInstance(){
return instance;
}
}
还有另外一种写法，利用静态代码块的机制：
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 上午10:46
*/
public class HungryStaticSingleton {
// 1. 私有化构造器
private HungryStaticSingleton(){}
// 2. 实例变量
private static final HungryStaticSingleton instance;
// 3. 在静态代码块中实例化
static {
instance = new HungryStaticSingleton();
}
// 4. 提供获取实例方法
public static HungryStaticSingleton getInstance(){
return instance;
}
}
测试代码,我们创建 10 个线程（具体线程发令枪 ConcurrentExecutor 在文末源码中获取）：
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 上午11:17
*/
public class HungrySingletonTest {
@Test
public void test() {
try {
ConcurrentExecutor.execute(() -> {
HungrySingleton instance = HungrySingleton.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + instance);
}, 10, 10);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
测试结果：
pool-1-thread-6 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
pool-1-thread-1 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
pool-1-thread-9 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
pool-1-thread-10 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
pool-1-thread-2 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
pool-1-thread-7 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
pool-1-thread-5 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
pool-1-thread-3 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
pool-1-thread-4 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
pool-1-thread-8 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.hungry.HungrySingleton@5e37cce6
...
可以看到，饿汉式每次获取实例都是同一个。
使用场景
这两种写法都非常的简单，也非常好理解，饿汉式适用在单例对象较少的情况。
下面我们来看性能更优的写法——懒汉式单例。
2、懒汉式单例
懒汉式单例的特点是:被外部类调用的时候内部类才会加载。
懒汉式单例可以分为下面这几种写法来。
简单懒汉式（线程不安全）
这是懒汉式单例的简单写法
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 上午10:55
*/
public class LazySimpleSingleton {
private LazySimpleSingleton(){}
private static LazySimpleSingleton instance = null;
public static LazySimpleSingleton getInstance(){
if (instance == null) {
instance = new LazySimpleSingleton();
}
return instance;
}
}
我们创建一个多线程来测试一下，是否线程安全：
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 上午11:12
*/
public class LazySimpleSingletonTest {
@Test
public void test() {
try {
ConcurrentExecutor.execute(() -> {
LazySimpleSingleton instance = LazySimpleSingleton.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + instance);
}, 5, 5);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
运行结果：
pool-1-thread-3 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.LazySimpleSingleton@abe194f
pool-1-thread-5 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.LazySimpleSingleton@abe194f
pool-1-thread-1 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.LazySimpleSingleton@748e48d0
pool-1-thread-2 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.LazySimpleSingleton@abe194f
pool-1-thread-4 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.LazySimpleSingleton@abe194f
从测试结果来看，一定几率出现创建两个不同结果的情况，意味着上面的单例存在线程安全隐患。
至于为什么？由于篇幅问题，我们在后面一篇文章中利用测试工具进行详细的分析（这可能也是面试中面试官会问到的问题）。大家现在只需要知道简单的懒汉式会存在这么一个问题就行了。
简单懒汉式（线程安全）
通过对上面简单懒汉式单例的测试，我们知道存在线程安全隐患，那么，如何来避免或者解决呢？
我们都知道 java 中有一个synchronized可以来对共享资源进行加锁，保证在同一时刻只能有一个线程拿到该资源，其他线程只能等待。所以，我们对上面的简单懒汉式进行改造，给getInstance() 方法加上synchronized：
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 上午10:55
*/
public class LazySimpleSyncSingleton {
private LazySimpleSyncSingleton() {
}
private static LazySimpleSyncSingleton instance = null;
public synchronized static LazySimpleSyncSingleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new LazySimpleSyncSingleton();
}
return instance;
}
}
然后使用发令枪进行测试：
@Test
public void testSync(){
try {
ConcurrentExecutor.execute(() -> {
LazySimpleSyncSingleton instance = LazySimpleSyncSingleton.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + instance);
}, 5, 5);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
进行多轮测试，并观察结果，发现能够获取同一个示例：
pool-1-thread-3 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.simple.LazySimpleSyncSingleton@1a7e99de
pool-1-thread-2 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.simple.LazySimpleSyncSingleton@1a7e99de
pool-1-thread-5 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.simple.LazySimpleSyncSingleton@1a7e99de
pool-1-thread-1 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.simple.LazySimpleSyncSingleton@1a7e99de
pool-1-thread-4 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.simple.LazySimpleSyncSingleton@1a7e99de
线程安全问题是解决了，但是，用synchronized加锁，在线程数量比较多情况下，如果CPU分配压力上升，会导致大批量线程出现阻塞，从而导致程序运行性能大幅下降。
那么，有没有一种更好的方式，既兼顾线程安全又提升程序性能呢？答案是肯定的。
我们来看双重检查锁的单例模式。
双重检查锁懒汉式
上面的线程安全方式的写法，synchronized锁是锁在 getInstance() 方法上，当多个线程过来拿资源的时候，其实需要拿的不是getInstance()这个方法，而是getInstance()方法里面的instance 实例对象，而如果这个实例对象一旦被初始化之后，多个线程到达时，就可以利用方法中的 if (instance == null) 去判断是否实例化，如果已经实例化了就直接返回，就没有必要再进行实例化一遍。所以对上面的代码进行改造：
第一次改造：
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 下午2:03
*/
public class LazyDoubleCheckSingleton {
private LazyDoubleCheckSingleton() {
}
private static LazyDoubleCheckSingleton instance = null;
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
// 这里判断是为了过滤不必要的同步加锁，因为如果已经实例化了，就可以直接返回了
if (instance == null) {
// 如果未初始化，则对资源进行上锁保护，待实例化完成之后进行释放
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
return instance;
}
}
这种方法行不行？答案肯定是不行，代码中虽然是将同步锁添加到了实例化操作中，解决了每个线程由于同步锁的原因引起的阻塞，提高了性能；但是，这里会存在一个问题：
线程X和线程Y同时调用getInstance()方法，他们同时判断instance == null，得出的结果都是为null，所以进入了if代码块了- 此时
线程X得到CPU的控制权 -> 进入同步代码块 -> 创建对象 -> 返回对象 线程X执行完成了以后，释放了锁，然后线程Y得到了CPU的控制权。同样是 -> 进入同步代码块 -> 创建对象 -> 返回对象
所以我们明显可以分析出来：LazyDoubleCheckSingleton 类返回了不止一个实例！所以上面的代码是不行的！大家可以自行测试，我这里就不进行测试了！
我们再进行改造，经过分析，由于线程X已经实例化了对象，在线程Y再次进入的时候，我们再加一层判断不就可以解决 “这个” 问题吗？确实如此，来看代码：
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 下午2:03
*/
public class LazyDoubleCheckSingleton {
private LazyDoubleCheckSingleton() {
}
private static LazyDoubleCheckSingleton instance = null;
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
// 这里判断是为了过滤不必要的同步加锁，因为如果已经实例化了，就可以直接返回了
if (instance == null) {
// 如果未初始化，则对资源进行上锁保护，待实例化完成之后进行释放（注意，可能多个线程会同时进入）
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
// 这里的if作用是：如果后面的进程在前面一个线程实例化完成之后拿到锁，进入这个代码块，
// 显然，资源已经被实例化过了，所以需要进行判断过滤
if (instance == null) {
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return instance;
}
}
大家觉得经过这样改造是不是就完美了呢？在我们习惯性的“讲道理”的思维模式看来，好像确实没什么问题，但是，程序是计算机在执行；什么意思呢？
在 instance = new LazyDoubleCheckSingleton(); 这段代码执行的时候，计算机内部并非简单的一步操作，也就是非原子操作，在JVM中，这一行代码大概做了这么几件事情：
- 给
instance分配内存 - 调用
LazyDoubleCheckSingleton的构造函数来初始化成员变量 - 将
instance对象指向分配的内存空间（执行完这步instance就为非 null 了）
但是在 JVM 中的即时编译器中存在指令重排序的优化；通俗的来说就是，上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，如果执行顺序是 1 -> 3 -> 2 那么在 3 执行完毕、2 未执行之前，被另外一个线程 A 抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程 A 会直接返回 instance，然后被程序调用，就会报错。
当然，这种情况是很难测试出来的，但是确实会存在这么一个问题，所以我们必须解决它，解决方式也很简单，就是 j 将
instance加上volatile关键字。
所以相对较完美的实现方式是：
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 下午2:03
*/
public class LazyDoubleCheckSingleton {
private LazyDoubleCheckSingleton() {
}
private static volatile LazyDoubleCheckSingleton instance = null;
public static LazyDoubleCheckSingleton getInstance() {
// 这里判断是为了过滤不必要的同步加锁，因为如果已经实例化了，就可以直接返回了
if (instance == null) {
// 如果未初始化，则对资源进行上锁保护，待实例化完成之后进行释放（注意，可能多个线程会同时进入）
synchronized (LazyDoubleCheckSingleton.class) {
// 这里的if作用是：如果后面的进程在前面一个线程实例化完成之后拿到锁，进入这个代码块，
// 显然，资源已经被实例化过了，所以需要进行判断过滤
if (instance == null) {
instance = new LazyDoubleCheckSingleton();
}
}
}
return instance;
}
}
测试代码见文末说明
静态内部类懒汉式
上面的双重锁检查形式的单例，对于日常开发来说，确实够用了，但是在代码中使用synchronized关键字 ，总归是要上锁，上锁就会存在一个性能问题。难道就没有更好的方案吗？别说，还真有，我们从类初始化的角度来考虑，这就是这里所要说到的静态内部类的方式。
废话不多说，直接看代码：
/**
*
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 下午2:55
*/
public class LazyInnerClassSingleton {
private LazyInnerClassSingleton() {
}
// 注意关键字final，保证方法不被重写和重载
public static final LazyInnerClassSingleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
private static class LazyHolder {
// 注意 final 关键字（保证不被修改）
private static final LazyInnerClassSingleton INSTANCE = new LazyInnerClassSingleton();
}
}
进行多线程测试：
pool-1-thread-9 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.inner.LazyInnerClassSingleton@88b7fa2
pool-1-thread-1 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.inner.LazyInnerClassSingleton@88b7fa2
pool-1-thread-6 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.lazy.inner.LazyInnerClassSingleton@88b7fa2
...
结果都是同一个对象实例。
结论
这种方式即解决了饿汉式的内存浪费问题，也解决了synchronized 所带来的性能问题
原理
利用的原理就是类的加载初始化顺序：
- 当类不被调用的时候，类的静态内部类是不会进行初始化的，这就避免了内存浪费问题；
- 当有方法调用
getInstance()方法时，会先初始化静态内部类，而静态内部类中的成员变量是final的，所以即便是多线程，其成员变量是不会被修改的，所以就解决了添加synchronized所带来的性能问题
首先感谢也恭喜大家能够看到这里，因为我想告诉你，上面所有的单例模式似乎还存在一点小问题 —— 暴力破坏。解决这一问题的方式就是下面提到的枚举类型单例。
至于缘由和为何枚举能够解决这个问题，同样，篇幅原因，我将在后面单独开一篇文章来说明。
下面我们先来讲讲注册式单例。
3、注册式（登记式）单例
注册式单例又称为登记式单例，就是将每一个实例都登记到某一个地方，使用唯一的标识获取实例。
注册式单例有两种写法:一种为容器缓存，一种为枚举登记。
先来看枚举式单例的写法。
枚举单例
废话少说，直接看代码，我们先创建EnumResource 类：
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 下午3:53
*/
public class EnumResource {
}
然后创建EnumSingleton :
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 下午3:42
*/
public enum EnumSingleton {
INSTANCE;
private Object instance;
EnumSingleton() {
instance = new EnumResource();
}
public Object getInstance() {
return instance;
}
}
来看测试代码：
/**
* @author eamon.zhang
* @date 2019-09-30 下午3:47
*/
public class EnumSingletonTest {
@Test
public void test() {
try {
ConcurrentExecutor.execute(() -> {
EnumSingleton instance = EnumSingleton.INSTANCE;
System.out.println(instance.getInstance());
}, 10, 10);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
测试结果：
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.enums.EnumResource@3eadb1e7
结果都一样，说明枚举类单例是线程安全的，且是不可破坏的；在 JDK 枚举的语法特殊性，以及反射也为枚举保驾护航，让枚举式单例成为一种比较优雅的实现。
枚举类单例也是《Effective Java》中所建议使用的。
容器式单例
注册式单例还有另外一种写法，利用容器缓存，直接来看代码：
创建ContainerSingleton类:
/**
* @author EamonZzz
* @date 2019-10-06 18:28
*/
public class ContainerSingleton {
private ContainerSingleton() {
}
private static Map<String, Object> ioc = new ConcurrentHashMap<String, Object>();
public static Object getBean(String className) {
synchronized (ioc) {
if (!ioc.containsKey(className)) {
Object object = null;
try {
object = Class.forName(className).newInstance();
ioc.put(className, object);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return object;
} else {
return ioc.get(className);
}
}
}
}
测试代码：
@Test
public void test() {
try {
ConcurrentExecutor.execute(() -> {
Object bean = ContainerSingleton
.getBean("com.eamon.javadesignpatterns.singleton.container.Resource");
System.out.println(bean);
}, 5, 5);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
测试结果：
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.container.Resource@42e7420f
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.container.Resource@42e7420f
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.container.Resource@42e7420f
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.container.Resource@42e7420f
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.container.Resource@42e7420f
容器式写法适用于创建实例非常多的情况，便于管理。但是，是非线程安全的。
其实 Spring 中也有相关容器史丹利的实现代码，比如 AbstractAutowireCapableBeanFactory 接口
至此，注册式单例介绍完毕。
五、拓展
ThreadLocal 线程单例
ThreadLocal 不能保证其创建的对象是唯一的，但是能保证在单个线程中是唯一的，并且在单个线程中是天生的线程安全。
看代码：
/**
* @author EamonZzz
* @date 2019-10-06 21:40
*/
public class ThreadLocalSingleton {
private ThreadLocalSingleton() {
}
private static final ThreadLocal<ThreadLocalSingleton> instance = ThreadLocal.withInitial(ThreadLocalSingleton::new);
public static ThreadLocalSingleton getInstance() {
return instance.get();
}
}
测试程序：
@Test
public void test() {
System.out.println("-------------- 单线程 start ---------");
System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println(ThreadLocalSingleton.getInstance());
System.out.println("-------------- 单线程 end ---------");
System.out.println("-------------- 多线程 start ---------");
try {
ConcurrentExecutor.execute(() -> {
ThreadLocalSingleton singleton = ThreadLocalSingleton.getInstance();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + singleton);
}, 5, 5);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("-------------- 多线程 end ---------");
}
测试结果：
-------------- 单线程 start ---------
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@1374fbda
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@1374fbda
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@1374fbda
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@1374fbda
com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@1374fbda
-------------- 单线程 end ---------
-------------- 多线程 start ---------
pool-1-thread-5 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@2f540d92
pool-1-thread-1 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@3ef7ab4e
pool-1-thread-2 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@604ffe2a
pool-1-thread-3 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@50f41c9f
pool-1-thread-4 : com.eamon.javadesignpatterns.singleton.threadlocal.ThreadLocalSingleton@40821a7a
-------------- 多线程 end ---------
从测试结果来看，我们不难发现，在主线程中无论调用多少次，获得到的实例都是同一个；在多线程环境下，每个线程获取到了不同的实例。
所以，在单线程环境中，ThreadLocal 可以达到单例的目的。这实际上是以空间换时间来实现线程间隔离的。
六、总结
单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销；可避免对资源的浪费。
单例模式看起来非常简单，实现起来也不难，但是在面试中却是一个高频的面试题。希望大家能够彻底理解。
本篇文章所涉及的源代码：