设计模式-单例模式

单例模式（Singletom Pattern），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。

模式定义

通常我们可以让一个全局变量使得一个对象被访问，但它不能防止你实例化多个对象。一个最好的办法就是，让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例可以被创建，并且它可以提供一个访问该实例的方法。

模式结构

Singleton类，定义一个getInstance操作，允许客户端访问它的唯一实例。getInstance是一个静态方法，主要负责创建自己的唯一实例。

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    //私有构造方法，不让外加利用new创建实例
    private Singleton() {
    }

    //此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        //若实例不存在，创建一个新的实例，否则返回已有实例
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

然后用客户端程序试一下，是否多次调用得到的还是一样的实例。

    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        if (instance1 == instance2) {
            System.out.println("俩个对象是相同的实例");
        }
    }

运行结果

俩个对象是相同的实例

模式实现

懒汉式，线程不安全

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    //私有构造方法，不让外加利用new创建实例
    private Singleton() {
    }

    //此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        //若实例不存在，创建一个新的实例，否则返回已有实例
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

这段代码和上面的示例一样，简单明了，而且使用了懒加载，但却有一个致命的问题，就是线程不安全，也就是说在多线程环境下可能会创建出多个实例。

懒汉式，线程安全

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    //私有构造方法，不让外加利用new创建实例
    private Singleton() {
    }

    //此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
    public synchronized static Singleton getInstance() {
        //若实例不存在，创建一个新的实例，否则返回已有实例
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

这个只是在getInstance方法上加了synchronized关键字，解决了线程不安全的问题，但是并不高效。因为在任何时候只有一个线程能调用getInstance方法。但是同步操作只需要第一次调用时才需要，所以有了双重检验锁。

双重检验锁

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    //私有构造方法，不让外加利用new创建实例
    private Singleton() {
    }

    //此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        //若实例不存在，创建一个新的实例，否则返回已有实例
        if (instance == null) {                 //single checked
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); //double checked
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。程序员称其为双重检查锁，因为会有两次检查 instance == null，一次是在同步块外，一次是在同步块内。为什么在同步块内还要再检验一次？因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if，如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

上面的代码还是会存在问题的，只要在于instance = new Singleton()，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。

1. 给instance分配内存。
2. 调用Singleton的构造函数来初始化成员变量。
3. 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步instance就是非null了）。

但是在JVM的即时编译中存在指令重排。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是1-3-2，也可能是1-2-3。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，这是instance已经是非null了（但却没有初始化），所以线程二回直接返回instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

解决方法就是讲instance变量声明成volatile就可以了。

public class Singleton {

    private volatile static Singleton instance;

    //私有构造方法，不让外加利用new创建实例
    private Singleton() {
    }

    //此方法是获得本类实例的唯一全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        //若实例不存在，创建一个新的实例，否则返回已有实例
        if (instance == null) {                 //single checked
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton(); //double checked
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

有些人认为使用volatile的原因是可见性，也就是可以保证线程在本地不会存有instance的副本，每次都是去主内存中读取。但其实是不对的。使用volatile的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。也就是说，在volatile变量的赋值操作后会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障前。比如上面的例子，取操作必需在执行完1-2-3或者1-3-2之后，不存在执行到1-3然后取到值得情况。从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个volatile变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作。（这里的 "后面" 是时间上的顺序）

但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

饿汉式

public class Singleton {

    public static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

它基于classloader机制避免了多线程的问题，是线程安全的，但容易产生垃圾对象；但是没有加锁，执行效率会高；最大的缺点就是类加载时就初始化，浪费内存。

静态内部类

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingleHolder.INSTANCE;
    }

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

}

这种方式利用了classloader机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟上面饿汉式不同的是：第三种方式只要Singleton类被加载了，那么INSTANCE就会被实例化（没有达到懒加载的效果），而这种方式是Singleton类被加载了，INSTANCE不一定被初始化。因为SingletonHolder没有被主动使用，只要通过显示调用getInstance()方法时，才会显示装在SingletonHolder类，从而实例化INSTANCE。

枚举

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

这种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，支持自动序列化机制，绝对防止多次序列化。创建枚举默认就是线程安全的，所以不需要担心多线程的问题。

总结

一般情况下直接使用饿汉式就好了，如果明确要求懒加载会更倾向于使用静态内部类，如果涉及到反序列化创建对象时可以试着用枚举的方式来实现单例。