Java设计模式之单例模式

单例模式是非常常见的设计模式，其含义也很简单，一个类给外部提供一个唯一的实例。下文所有的代码均在github
源码整个项目不仅仅有设计模式，还有其他JavaSE知识点，欢迎Star，Fork

单例模式的UML图

单例模式的关键点

通过上面的UML图，我们可以看出单例模式的特点如下：

1. 构造器是私有的，不允许外部的类调用构造器
2. 提供一个供外部访问的方法，该方法返回单例类的实例

如何实现单例模式

上面已经给出了单例模式的关键点，我们的实现只需要满足上面2点即可。但是正因为单例模式的实现方式比较宽松，所以不同的实现方式会有不同的问题。我们可以对单例模式的实现做一下分类，看一看有哪些不同的实现方式。

1. 根据单例对象的创建时机不同，可以分为饿汉模式和懒汉模式。饿汉是指在类加载的时候，就创建了对象。但是创建对象有时比较消耗资源，会造成类加载很慢，但是优点是获取对象的速度很快，因为早已经创建好了嘛。懒汉就是相对饿汉而言，在需要返回单例对象的时候，在创建对象，类加载的时候，并不初始化，好处与缺点也不言而喻
2. 根据是否实现线程安全，可以分为普通的懒汉模式这种线程不安全的写法，和饿汉模式，双重检查锁的懒汉模式，以及通过静态内部类或者枚举类等实现的线程安全的写法。

一个线程不安全的单例模式

public class SimpleSingleton {

    private static SimpleSingleton simpleSingleton;

    private SimpleSingleton(){

    }

    public static SimpleSingleton getInstance(){
        if (simpleSingleton == null) {
            simpleSingleton = new SimpleSingleton();
        }
        return simpleSingleton;
    }
}

首先，我们可以看出这是一个懒汉模式的实现。因为只有在getInstance的时候，才会真正创建单例的对象。但是为什么他是线程不安全的呢，是因为可能会有2个线程同时进入 if (simpleSingleton == null)的判断，就是同时创建了simpleSingleton对象。

DCL懒汉模式

上面的方法可以看出是存在线程不安全的问题的，我们可以用同步关键字synchronized来实现线程安全。我们先逐步分析，先用synchronized来改写上面的懒汉模式，代码如下：

public class DCLSingleton {

    private static DCLSingleton singleton;
    private DCLSingleton(){
    }

    public synchronized static DClSingleton getSingleton(){
        if (singleton == null) {
            singleton = new DCLSingleton();
        }
        return singleton;
    }

}

这样，就有效的保证了不会有两个线程同时执行该方法，但这个效率也太低了吧。因为在创建实例之后，每次得到实例对象，还是需要进行同步，synchronized 的同步保证代价是比较大的，因此可以在此基础上进行改造。在已经创建好之后，就不需要同步了，我们可以改成如下的形式：

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

其他代码不变，只看这个方法。该方法的两重if (singleton == null)可以有效地保证线程安全。比如，当两个线程同时进入该方法的时候，第一个if,两者都是进入，下面的代码，但是碰到同步代码块，只能有一个先进入，进入的时候，继续判断，再次判断为空，才会真正创建对象。如果不进行，第二个判断，那些对于第一个进入的线程而言，确实创建了对象，但是第二个线程，他紧接着也会执行创建对象的操作，因为不知道第一个线程已经创建成功。因此，需要两次判空。
但是真的就如此简单的保证了线程安全吗？我们仔细分析一下这个过程，singleton = new DCLSingleton();这个代码实际上是3个操作。

1. 给DCLSingleton实例分配内存
2. 调用DCLSingleton()的构造函数，初始化成员字段
3. 将singleton对象指向分配的内存空间。

在JDK1.5以前，上面的3个执行顺序是不固定的，有可能是1-2-3，或者1-3-2。如果是1-3-2，则在第一个线程执行完第三步以后，第二个线程立即执行，但还没有真正的进行初始化，所以就会使用的时候出错。在JDK1.5以后，我们可以用volatile关键字来保证该1-2-3的顺序执行。所以，除了getSingleton()方法要改成上面的样子以外，还需要对private static DCLSingleton singleton; 改写成 private static volatile DCLSingleton singleton; 这样，就真正保证了线程同步的懒汉写法的单例模式。

饿汉写法

饿汉写法有很多变形，但无论是哪一种变形，都能保证线程安全，因为饿汉写法是在类加载的时候，就完成了对象的初始化，类加载保证了他们天生是线程安全的。下面给出常见的2中饿汉写法

public class HungrySingleton {
    private static final HungrySingleton singleton = new HungrySingleton();

    private HungrySingleton(){

    }

    public static HungrySingleton getSingleton(){
        return singleton;
    }
}

public class HungrySingleton {
    private static final HungrySingleton singleton = new HungrySingleton();

    private HungrySingleton(){

    }

//    public static HungrySingleton getSingleton(){
//        return singleton;
//    }
}

这两种对初始化单例的对象上面，都是一致的， 通过final来保证对象的唯一。不同的是，调用单例对象的方式，第一种是通过getSingleton()，第二种是通过类.类变量的形式。

静态内部类实现单例模式

双重检查锁（DCL）实现单例模式，虽然解决了线程不安全的问题，以及保证了资源的懒加载，在需要的时候，才会进行实例化的操作。但是在某些情况下（比如JDK低于1.5）会出现DCL失效，所以有一种很简洁且依旧是懒加载的方法实现单例模式。写法如下：

public class StaticSingleton {

    private StaticSingleton(){
    }
    public static final StaticSingleton getInstance(){
        return Holder.singleton;
    }

    private static class Holder{
        private static final StaticSingleton singleton = new StaticSingleton();
    }
}

通过静态内部类的形式，实现单例类的初始化，其特性同样是通过ClassLoader来保证其单例对象的唯一，但是这是懒加载的，因为只有在Holder类被调用的时候，即getInstance调用的时候，才会加载Holder类从而实现创建对象。

枚举类实现单例模式

直接看代码：

public enum EnumSingleton {
    SINGLETON;
    public void doSometings(){
        
    }
}

使用的时候，直接通过EnumSingleton.SINGLETON.doSomethings()。枚举类天生特性是保证不会有两个实例，并且只有在第一次访问的时候才会被实例化，是懒加载的情况。

真的不会再次创建新的对象吗？

在常规调用单例类的getInstance（）方法的情况下，使用线程安全的写法确实不会创建新的对象，但是Java提供了很多奇特的技巧和使用，下面这些使用会破坏掉常规的单例。

1. 反序列化
2. 反射
3. 克隆
4. 分布式环境下，多个类加载器

在除了枚举实现单例模式的方法以外，其余所有方法碰到上述四种情况，都会重新创建对象。原因如下：

1. 反序列化会调用一个特殊的readResolve()方法来创建新的对象。我们可以重写该方法，让他返回原来的instance，而不是重新创建一个。
2. 反射会得到私有的构造函数，只能在构造函数中加一个判断，如果对象不为null,则扔出一个运行时异常，如果不这样，只有枚举能解决，因为枚举自带的特性。
3. 克隆，因为直接拷贝的内存空间的内容，所以只有自己重写单例类的clone方法，如果不这样，也只有枚举能解决，因为枚举没有克隆方法。
4. 多分布式环境，因为我们上述很多种单例的写法，都是依赖于类加载器的特性，但是static的作用只负责到类加载器，所以当工程中存在多个类加载器的时候，就会创建多个实例，这种通常就需要第三方库来解决。

什么时候用单例模式，用哪一种写法的单例模式

单例模式有两种比较适合的使用场景。
第一种是创建某个对象，需要的代价比较大，为了避免频繁的创建和销毁对象从而引起的对资源的浪费，会考虑使用单例模式。
第二种是这个对象必须只有一个，有多个会造成不可预估的错误，或者程序的混乱，比如只会有一个序号生成器，一个缓存等等。
针对使用的单例模式，如果需要理解的加载资源，就是用饿汉写法，在Android应用中，很多对象需要在启动的时候，立即就使用，比如启动时，需要拉取相机配置的类管理缩略图的cache类等等。如果不是立即需要，或者不是贯穿应用始终的，就不需要使用饿汉写法，可以考虑懒汉写法用（DCL或者静态内部类实现）这两种在一般情况下都不会出现问题。