单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
注意：
- 单例类只能有一个实例。
- 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
- 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
介绍
- 意图：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。
- 主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
- 何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。
- 如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
- 关键代码：构造函数是私有的。
- 应用实例：
- 一个班级只有一个班主任。
- Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
- 一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。
- 优点：
- 在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
- 避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
- 缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。
- 使用场景：
- 要求生产唯一序列号。
- WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
- 创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。
- 注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。
实现
1. 懒汉式 - 线程不安全 - Lazy初始化
- 描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。
/**
* 单例模式 - 懒汉式 - 线程不安全 - Lazy初始化
* @author remainsu
* @version 1.0 2019-06-12
*/
public class SingleLH {
private static SingleLH instance;
//private的构造方法，防止被new
private SingleLH() {}
/**
* 获取实例
* @return
*/
public static SingleLH getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new SingleLH();
}
return instance;
}
public void showMessage() {
System.out.println("For SingleLH ..");
}
}
2. 懒汉式 - 线程安全 - Lazy初始化
- 描述：这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
- 优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
- 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。
/**
* 单例模式 - 懒汉式 - 线程安全 - Lazy初始化
* @author remainsu
* @version 1.0 2019-06-12
*/
public class SingleLHsyn {
private static SingleLHsyn instance;
//private的构造方法，防止被new
private SingleLHsyn() {}
/**
* 获取实例
* @return
*/
public static synchronized SingleLHsyn getInstance() {
if(instance == null) {
instance = new SingleLHsyn();
}
return instance;
}
public void showMessage() {
System.out.println("For SingleLHsyn ..");
}
}
3. 饿汉式 - 线程安全
- 描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
- 优点：没有加锁，执行效率会提高。
- 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，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。
/**
* 单例模式 - 饿汉式 - 线程安全
* @author remainsu
* @version 1.0 2019-06-12
*/
public class SingleEH {
private static SingleEH instance = new SingleEH();
//private的构造方法，防止被new
private SingleEH() {}
/**
* 获取实例
* @return
*/
public static SingleEH getInstance() {
return instance;
}
public void showMessage() {
System.out.println("For SingleEH ..");
}
}
4. 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）- 线程安全 - Lazy初始化
- 描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。
/**
* 单例模式 - 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）- 线程安全 - Lazy初始化
* @author remainsu
* @version 1.0 2019-06-12
*/
public class SingleDCL {
private volatile static SingleDCL instance;
//private的构造方法，防止被new
private SingleDCL() {}
/**
* 获取实例
* @return
*/
public static SingleDCL getInstance() {
if(instance == null) {
synchronized (SingleDCL.class) {
if(instance == null) {
instance = new SingleDCL();
}
}
}
return instance;
}
public void showMessage() {
System.out.println("For SingleDCL ..");
}
}
5. 登记式/静态内部类 - 线程安全 - Lazy初始化
- 描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式只适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 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，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 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 3 种方式就显得很合理。
/**
* 单例模式 - 登记式/静态内部类 - 线程安全 - Lazy初始化
* @author remainsu
* @version 1.0 2019-06-13
*/
public class SingleDJSstatic {
/**
* 静态内部类
*/
private static class SingleHolder {
/*
* 常量，单例实例
*/
private static final SingleDJSstatic INSTANCE = new SingleDJSstatic();
}
//private的构造方法，防止被new
private SingleDJSstatic() {}
/**
* 创建实例，通过内部类
* @return
*/
public static SingleDJSstatic getInstance() {
return SingleHolder.INSTANCE;
}
public void showMessage() {
System.out.println("For SingleDJSstatic ..");
}
}
6. 枚举 - 线程安全
- 描述：这种实现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，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。
/**
* 单例模式 - 枚举 - 线程安全
* @author remainsu
* @version 1.0 2019-06-13
*/
public enum SingleEnum {
INSTANCE;
public void showMessage() {
System.out.println("For SingleEnum ..");
}
}
7. 单例模式测试类
/**
* 单例模式测试类
* @author remainsu
* @version 1.1 2019-06-13
*/
public class Test {
public static void main(String[] args) {
/*
* 饿汉式 - 线程安全
*/
SingleEH seh = SingleEH.getInstance();
seh.showMessage();
/*
* 懒汉式 - 非线程安全
*/
SingleLH slh = SingleLH.getInstance();
slh.showMessage();
/*
* 懒汉式 - 线程安全
*/
SingleLHsyn slhs = SingleLHsyn.getInstance();
slhs.showMessage();
/*
* 双检锁/双重校验锁 - 线程安全
*/
SingleDCL sdcl = SingleDCL.getInstance();
sdcl.showMessage();
/*
* 登记式/静态内部类 - 线程安全
*/
SingleDJSstatic sdjss = SingleDJSstatic.getInstance();
sdjss.showMessage();
/*
* 枚举式
*/
SingleEnum.INSTANCE.showMessage();
}
}
运行结果：
For SingleEH ..
For SingleLH ..
For SingleLHsyn ..
For SingleDCL ..
For SingleDJSstatic ..
For SingleEnum ..
参考
- https://www.runoob.com/design-pattern/singleton-pattern.html
- volatile关键字：https://www.cnblogs.com/zhengbin/p/5654805.html
- volatile关键字：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1595669808533077617&wfr=spider&for=pc
- 枚举实现单例：https://blog.csdn.net/mrsyf/article/details/78291181
- 饿汉 & 懒汉：https://blog.csdn.net/qq_35098526/article/details/79893628