创建型设计模式（五）单例模式

一、一句话背景

假如公司有一台打印机，我们要使用它，但是不能把他带回家，当然也没必要为了只是因为偶尔打印文件而自己在家里买一台，这种情况可以把打印机看作一个单例，下面来分析一下

二、使用场景

当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

三、模型分析

公司的打印机：单例对象

自己在家买的打印机 ： 新的实例对象

四、代码分析

1.懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：否

实现难度：易

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。

/**
 * 1、懒汉式，线程不安全
 */
public class SingletonOne {
    private static SingletonOne instance;

    private SingletonOne() {
    }

    //没有同步锁
    public static SingletonOne getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonOne();
        }
        return instance;
    }
}

2、懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：易

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）。

/**
 * 2、懒汉式，线程安全
 */
public class SingletonTwo {
    private static SingletonTwo instance;

    private SingletonTwo() {
    }

    //同步锁加在方法上，使得外部调用时要遵循同步机制
    public static synchronized SingletonTwo getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new SingletonTwo();
        }
        return instance;
    }
}

3、饿汉式

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

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。

/**
 * 3、饿汉式
 */
public class SingletonThree {
    //类加载时就初始化对象（基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，classloader类的loadClass有锁）
    private static SingletonThree instance = new SingletonThree();

    private SingletonThree() {
    }

    public static SingletonThree getInstance() {
        return instance;
    }
}

4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：较复杂

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。

/**
 * 4、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
 */
public class SingletonFour {
    //volatile的作用是作为指令关键字，确保本条指令不会因编译器的优化而省略,防止多个地方调用singleton时造成多线程问题
    private volatile static SingletonFour singleton;

    private SingletonFour() {
    }

    public static SingletonFour getSingletonFour() {
        if (singleton == null) {
            //singleton初始化的锁
            synchronized (SingletonFour.class) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new SingletonFour();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

5、登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是

是否多线程安全：是

实现难度：一般

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。

/**
 * 5、登记式/静态内部类
 */
public class SingletonFive {
    /*
    私有化内部类的原因：
     1.把SingletonFive生成的对象私有化
     2.若实例化 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，所以放在一个私有化内部类里面，用到的时候再去调用并初始化。
    */
    private static class SingletonFiveHolder {
        private static final SingletonFive INSTANCE = new SingletonFive();
    }

    private SingletonFive() {
    }

    public static final SingletonFive getInstance() {
        return SingletonFiveHolder.INSTANCE;
    }
}

6、枚举

JDK 版本：JDK1.5 起

是否 Lazy 初始化：否

是否多线程安全：是

实现难度：易

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。

/**
 * 6、枚举
 */
public enum SingletonSix {
    //INSTANCE其实就代表一个枚举对象，SingletonSix instance = SingletonSix.INSTANCE;就可以调用到
    INSTANCE;

    public void whateverMethod() {
    }
}