单例模式Singleton

概念

单例模式确保某个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。选择单例模式就是为了避免不一致状态。使用Singleton的好处还在于可以节省内存，因为它限制了实例的个数，有利于Java垃圾回收（garbage collection）

单例对象的类必须保证只有一个实例存在，可以作为对意图实现单例模式的代码进行检验的标准。

对单例的实现可以分为两大类——懒汉式和饿汉式，他们的区别在于： 
懒汉式：指全局的单例实例在第一次被使用时构建。 
饿汉式：指全局的单例实例在类装载时构建。

核心思想

• 使用private修改该类构造器，从而将其隐藏起来，避免程序自由创建该类实例
• 提供一个public方法获取该类实例，且此方法必须使用static修饰（调用之前还不存在对象，因此只能用类调用）
• 该类必须缓存已经创建的对象，否则该类无法知道是否曾经创建过实例，也就无法保证只创建一个实例。为此，该类需要一个静态属性来保持曾经创建的实例。

例子

1.饿汉:全局的单例实例在类装载时构建的实现方式

饿汉式是典型的空间换时间，当类装载的时候就会创建类的实例，不管你用不用，先创建出来，然后每次调用的时候，就不需要再判断，节省了运行时间。

由于类装载的过程是由类加载器（ClassLoader）来执行的，这个过程也是由JVM来保证同步的，所以这种方式先天就有一个优势——能够避免许多由多线程引起的问题。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。

public class HungryBase {
    private static HungryBase instance = new HungryBase();

    /**
     * 私有默认构造方法
     */
    private HungryBase() {
    }

    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static HungryBase getInstance() {
        return instance;
    }
}

JDK例子(java.lang.Runtime):

public class Runtime {
    private static Runtime currentRuntime = new Runtime();

    public static Runtime getRuntime() {
        return currentRuntime;
    }

    private Runtime() {}
}

2.饿汉---静态代码块

public class HungryStaticBlock {
    private static HungryStaticBlock instance = null;
    static {
        instance = new HungryStaticBlock();
    }
    /**
     * 私有默认构造方法
     */
    private HungryStaticBlock() {
    }

    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static HungryStaticBlock getInstance() {
        return instance;
    }
}

3.饿汉---静态类

这种方式同样利用了classloder的机制来保证初始化instance时只有一个线程，它跟第1种和第2种方式不同的是（很细微的差别）：第1种和第2种方式是只要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，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显示装载SingletonHolder类，从而实例化instance。想象一下，如果实例化instance很消耗资源，我想让他延迟加载，另外一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保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1和第2种方式就显得很合理。

public class HungryStaticClass {
    private static class SingletonHolder {
        private static HungryStaticClass instance = new HungryStaticClass();
    }
    /**
     * 私有默认构造方法
     */
    private HungryStaticClass() {
    }

    /**
     * 静态工厂方法
     */
    public static HungryStaticClass getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

4.懒汉:这种写法lazy loading很明显，但是致命的是在多线程不能正常工作。
懒汉式是典型的时间换空间,就是每次获取实例都会进行判断，看是否需要创建实例，浪费判断的时间。当然，如果一直没有人使用的话，那就不会创建实例，则节约内存空间

/**
 * 懒汉 线程不安全 lazy loading很明显，在多线程不能正常工作
 */
public class LazyBase {
    //静态属性用来缓存创建实例
    private static LazyBase instance = null;

    //私有构造方法避免程序自由创建实例
    private LazyBase() {
    }

    //静态公共方法用于取得该类实例
    public static LazyBase getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazyBase();
        }
        return instance;
    }
}

JDK例子(java.awt.Desktop.getDesktop()):

public class Desktop {
    public static synchronized Desktop getDesktop(){
        if (GraphicsEnvironment.isHeadless()) throw new HeadlessException();
        if (!Desktop.isDesktopSupported()) {
            throw new UnsupportedOperationException("Desktop API is not " +
                                                    "supported on the current platform");
        }

        sun.awt.AppContext context = sun.awt.AppContext.getAppContext();
        Desktop desktop = (Desktop)context.get(Desktop.class);

        if (desktop == null) {
            desktop = new Desktop();
            context.put(Desktop.class, desktop);
        }

        return desktop;
    }
}

5.懒汉---线程安全:这种写法能够在多线程中很好的工作，而且看起来它也具备很好的lazy loading，但是，遗憾的是，效率很低，99%情况下不需要同步。

如果有两个线程（T1、T2）同时执行到这个方法时，会有其中一个线程T1获得同步锁，得以继续执行，而另一个线程T2则需要等待，当第T1执行完毕getInstance之后（完成了null判断、对象创建、获得返回值之后），T2线程才会执行执行。——线程安全 
但是给gitInstance方法加锁，避免了可能会出现的多个实例问题，但是会强制除T1之外的所有线程等待，实际上会对程序的执行效率造成负面影响。---效率低

/**
 * 懒汉 多线程安全 效率低(99%情况下不需要同步)
 */
public class LazySyn {
    //静态属性用来缓存创建实例
    private static LazySyn instance = null;

    //私有构造方法避免程序自由创建实例
    private LazySyn() {
    }

    //静态公共方法用于取得该类实例
    public static synchronized LazySyn getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySyn();
        }
        return instance;
    }
}

6.1懒汉---双重检查

可以使用“双重检查加锁”的方式来实现，就可以既实现线程安全，又能够使性能不受很大的影响。

　　“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，就只需要同步一次了，从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。

/**
 * 懒汉 多线程安全 双重检查
 */
public class LazyDoubleCheck {
    //静态属性用来缓存创建实例
    private static LazyDoubleCheck instance = null;

    //私有构造方法避免程序自由创建实例
    private LazyDoubleCheck() {
    }

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

第一个if (instance == null)，是为了解决效率问题，只有instance为null的时候，才进入synchronized的代码段——大大减少了几率。 
第二个if (instance == null)，是为了防止可能出现多个实例的情况。

6.2懒汉---终极版本(volatile)

知识点：什么是原子操作？ 

简单来说，原子操作（atomic）就是不可分割的操作，在计算机中，就是指不会因为线程调度被打断的操作。 
比如，简单的赋值是一个原子操作：

m = 6; // 这是个原子操作 
假如m原先的值为0，那么对于这个操作，要么执行成功m变成了6，要么是没执行m还是0，而不会出现诸如m=3这种中间态——即使是在并发的线程中。

而，声明并赋值就不是一个原子操作：

int n = 6; // 这不是一个原子操作 
对于这个语句，至少有两个操作： 
①声明一个变量n 
②给n赋值为6 
——这样就会有一个中间状态：变量n已经被声明了但是还没有被赋值的状态。 
——这样，在多线程中，由于线程执行顺序的不确定性，如果两个线程都使用m，就可能会导致不稳定的结果出现。

知识点：什么是指令重排？ 
简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。 
比如，这一段代码：

int a ; // 语句1 
a = 8 ; // 语句2 
int b = 9 ; // 语句3 
int c = a + b ; // 语句4 
正常来说，对于顺序结构，执行的顺序是自上到下，也即1234。 
但是，由于指令重排的原因，因为不影响最终的结果，所以，实际执行的顺序可能会变成3124或者1324。 
由于语句3和4没有原子性的问题，语句3和语句4也可能会拆分成原子操作，再重排。 
——也就是说，对于非原子性的操作，在不影响最终结果的情况下，其拆分成的原子操作可能会被重新排列执行顺序。

OK，了解了原子操作和指令重排的概念之后，我们再继续看6.1代码的问题。 

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。 
1. 给 instance 分配内存 
2. 调用 LazyDoubleCheck 的构造函数来初始化成员变量，形成实例 
3. 将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance才是非 null 了） 
但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。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 1-2-3 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。 
再稍微解释一下，就是说，由于有一个『instance已经不为null但是仍没有完成初始化』的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance == null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。 
这里的关键在于——线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作(当然这种概率已经非常小了，但毕竟还是有的嘛，这时候就要用到volatile)。

volatile:volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，所有对该变量的读写都是直接操作共享内存，从而确保多个线程能正确的处理该变量;是禁止指令重排，把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障,这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。

public class LazyVolatile {
    //volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存，所有对该变量的读写都是直接操作共享内存，从而确保多个线程能正确的处理该变量。
    private volatile static LazyVolatile instance = null;

    //私有构造方法避免程序自由创建实例
    private LazyVolatile() {
    }

    public static LazyVolatile getInstance() {
        if (instance == null) {////先检查实例是否存在，不存在，在进行同步
            synchronized (LazyVolatile.class) { //同步块，线程安全的创建实例
                if (instance == null) {//再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例  
                    instance = new LazyVolatile();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

注意：volatile阻止的不singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)），大名鼎鼎的EventBus中，其入口方法EventBus.getDefault()就是用这种方法来实现的。  

7.枚举(jdk1.5+):不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化重新创建新的对象。

/**
 * jdk1.5 enum特性
 */
public enum EnumSingleton {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {
    }
}

大自然的搬运工(感谢以下作者):

       hxxp://blog.csdn.net/zhshulin/article/details/38225733

       hxxp://blog.csdn.net/picway/article/details/70163455

       hxxp://blog.csdn.net/qq_27550755/article/details/49781683