如何正确书写单例模式

一般单例都是五种写法：懒汉、饿汉、双重校验锁、静态内部类和枚举。为了记录学习的过程，这里整理了几种常见的单例写法。

青铜5：（Lazy-loaded，但线程不安全）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton(){}

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

这段代码简单明了，而且实现了延迟加载，但是在多线程环境下，如果多个线程同时调用 getInstance() 方法，可能会发生多个线程同时通过（instance==null）的条件检测，从而进入if语句的程序代码块创建出多个实例。

懒汉式：synchronized（Lazy-loaded，线程安全，但不高效）

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton() {}

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

为了解决上面的问题，最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步（synchronized），使得只要是进入getInstance() 方法的线程都得同步。实际上，创建实例对象的动作只有一次，后面的方法调用都是读取成员变量，对后续的读操作也进行线程同步会严重影响性能。

饿汉式：static final field（非Lazy-loaded）

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static final，在第一次加载类到内存中时就会初始化，创建实例对象也是线程安全的（由JVM实现保证）。

public class Singleton{
    //类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance(){                       // Singleton with static factory
        return instance;
    }
}

它没有实现延迟加载，即使没有调用getInstance()方法，instance也会在类加载后就被初始化。这会导致一些使用限制：譬如 Singleton 实例的创建依赖配置文件或者参数，必须在执行 getInstance() 之前调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就无法使用了。类似的方法还有：

public class Singleton{
    public static final Singleton instance = new Singleton();    // Singleton with public final field
    private Singleton(){}
    
}
// <Effective Java>第14页讲诉了两者的差异

双重检验锁 + volatile（Lazyload，线程安全，但晦涩）

所谓“双重检查加锁”指的是：

并不是每次进入getInstance（）方法都需要同步，而是先不同步，进入方法后，先检查实例是否存在，如果不存在才进行下面的同步块，这是第一重检查；进入同步块过后，再次检查实例是否存在，如果不存在，就在同步的情况下创建一个实例，这是第二重检查。这样一来就只需要同步一次，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。

public static Singleton getSingleton() {
    if (instance == null) {                         //Single Checked
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {                 //Double Checked
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance ;
}

这段代码看起来很完美，很可惜它是有问题的。主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情：

memory = allocate();   //1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory);  //2：初始化对象
instance = memory;     //3：设置instance指向刚分配的内存地址

但是在 JVM 的JIT编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第2步和第3步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。为此，我们需要将 instance 变量声明成 volatile 。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance; //声明为 volatile
    private Singleton(){}

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

但是特别注意在 Java 1.5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的，这个问题在 Java 1.5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

静态内部类：IoDH，initialization-on-demand holder 

这个模式综合使用了Java的静态内部类和多线程缺省同步锁的知识，很巧妙地同时实现了延迟加载和线程安全。

public class Singleton {
    private Singleton() {}

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

    public static Singleton getInstance() {           // From wikipedia
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

静态内部类相当于其外部类的static部分，只有在第一次被使用的时候才会被装载。它的对象不依赖于外部类对象（实例），因此可以直接创建。

多线程缺省同步锁

　　大家都知道，在多线程开发中，为了解决并发问题，主要是通过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。但是在某些情况中，JVM已经隐含地为您执行了同步，这些情况下就不需要手动进行同步控制了。这些情况包括：

　　1.由静态初始化器（在静态字段上或static{}块中的初始化器）初始化数据时

　　2.访问final字段时

　　3.在创建线程之前创建对象时

　　4.线程可以看见它将要处理的对象时

枚举 Enum

从Java 1.5起，只需编写一个包含单个元素的枚举类型：

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

这种方法在功能上与公有域方法相近，但是它更加简洁，无偿地提供了序列化机制，绝对防止多次实例化，即使是在面向复杂的序列化或者反射攻击的时候。虽然这种方法还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型以及成为实现Singleton的最佳方法。

解决方案的思路：

1. 类级（静态）内部类相当于其外部类的成员，只有在第一次被使用的时候才被会装载。

--------------------以下是几个存疑的细节--------------------

1.static final到底有哪些细节

2.static field处的赋值初始化到底和static代码块有先后吗?

3.P50 in Java EE设计模式解析与应用中的例子真的有Lazyload效果吗?

4.单例模式的其他问题《深入浅出单实例》