设计模式：如何优雅地手写单例模式

单例模式是一种常用的设计模式，该模式提供了一种创建对象的方法，确保在程序中一个类最多只有一个实例。

单例有什么用处？

有一些对象其实我们只需要一个，比如线程池、缓存、对话框、处理偏好设置和注册表的对象、日志对象，充当打印机、显示等设备的驱动程序对象。其实，这类对象只能有一个实例，如果制造出来多个实例，就会导致许多问题，如：程序的行为异常、资源使用过量，或者是不一致的结果。

Singleton通常用来代表那些本质上唯一的系统组件，比如窗口管理器或者文件系统。

在Java中实现单例模式，需要一个静态变量、一个静态方法和私有的构造器。

经典的单例模式实现

对于一个简单的单例模式，可以这样实现：

1. 定义一个私有的静态变量uniqueInstance；

2. 定义私有的构造方法。这样别处的代码无法通过调用该类的构造函数来实例化该类的对象，只能通过该类提供的静态方法来得到该类的唯一实例；

3. 提供一个getInstance()方法，该方法中判断是否已经存在该类的实例，如果存在直接返回，不存在则新建一个再返回。代码如下：

public class Singleton{
    private static Singleton uniqueInstance;//私有静态变量
    
    //私有的构造器。这样别处的代码无法通过调用该类的构造函数来实例化该类的对象，只能通过该类提供的静态方法来得到该类的唯一实例。
    private Singleton(){}
    
    //静态方法
    public static Singleton getInstance(){
        //如果不存在，利用私有构造器产生一个Singleton实例并赋值到uniqueInstance静态变量中。
        //如果我们不需要这个实例，他就永远不会产生。这叫做“延迟实例化（懒加载）“
        if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

这段代码使用了延迟实例化，在单线程中没有任何问题。但是在多线程环境下，当有多个线程并行调用 getInstance()，都认为uniqueInstance为null的时候，就会调用uniqueInstance = new Singleton();，这样就会创建多个Singleton实例，无法保证单例。

解决多线程环境下的线程安全问题，主要有以下几种写法：

同步getInstance()方法

关键字synchronized可以保证在他同一时刻，只有一个线程可以执行某一个方法，或者某一个代码块。

同步getInstance()方法是处理多线程最直接的做法。只要把getInstance()变成同步（synchronized）方法，就可以解决并发问题了。

public class Singleton{
    private static Singleton uniqueInstance;//私有静态变量

    //私有构造器
    private Singleton() {}
    
    //synchronized同步方法
    public static synchronized Singleton getInstance(){
        if(uniqueInstance == null){
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

但是，同步的效率低，会降低性能。只有第一次执行此方法的时候，才真正需要同步。也就是说，一旦设置好uniqueInstance变量，就不再需要同步这个方法了。之后每次调用这个方法，同步都是一种累赘。同步getInstance()方法既简单又有效。如果说对性能要求不高，这样就可以满足要求。

“急切”实例化

之前的实现采用的是懒加载方式，也就是说，当真正用到的时候才会创建；如果没被使用到，就一直不会创建。

懒加载方式在第一次使用的时候， 需要进行初始化操作，可能会比较耗时。

如果确定一个对象一定会使用的话，可以采用“急切”地实例化，事先准备好这个对象，需要的时候直接使用就行了。这种方式也叫做饿汉模式。具体代码：

public class Singleton{
    //在静态初始化器中创建单例，保证了线程安全性
    private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance(){
        return uniqueInstance;
    }
}

饿汉模式是如何保证线程安全的？

饿汉模式中的静态变量是随着类加载时被初始化的。static关键字保证了该变量是类级别的，也就是说这个类被加载的时候被初始化一次。注意与对象级别和方法级别进行区分。

因为类的初始化是由类加载器完成的，这其实是利用了类加载器的线程安全机制。类加载器的loadClass方法在加载类的时候使用了synchronized关键字。也正是因为这样， 除非被重写，这个方法默认在整个装载过程中都是同步的（线程安全的）。

双重检查加锁

杀鸡用牛刀。实现单例模式可以利用双重检查加锁（double-checked locking），首先检查是否实例已经创建了，如果尚未创建，“才”进行同步。这样，只有第一次会同步。

public class Singleton{
    //使用volatile关键字，确保当uniqueInstance变量被初始化成为Singleton实例时，多线程可以正确地处理uniqueInstance变量。
    private volatile static Singleton uniqueInstance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static Singleton getInstance() {
        if(uniqueInstance == null){//第一次检查
            synchronized(Singleton.class){
                if(uniqueInstance == null){//第二次检查
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
    
}

如果性能是关注的重点，双重检查加锁可以大幅减少getInstance()的时间消耗成本。

在Java 1.5发行版本之前，双重检查模式的功能很不稳定，因为volatile修饰符的语义不够强，难以支持它。Java 1.5发行版本中引入的内存模式解决了这个问题，如今，双重检查模式是延迟初始化的一个实例域的方法。

为什么要进行双重检查？只检查一次不行吗？

解答：只检查一次不行。只检查一次的代码如下：

     if(uniqueInstance == null){//第一次检查
            synchronized(Singleton.class){
                    uniqueInstance = new Singleton();
            }
        }

当两个线程同时判断uniqueInstance == null的时候，都会去获得Singleton.class的锁对象，由于两个线程拥有的锁对象是同一个Singleton.class，两个线程先后执行，也就是两个线程都会进入同步代码块创建一个新的对象，造成返回的uniqueInstance 并不是唯一的，这样也就不符合单例模式了。

最佳方法

从Java 1.5发行版本起，实现Singleton只需要编写一个包含单个元素的枚举类型：

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
}  

使用枚举实现单例的方法虽然还没有广泛采用，但是单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。注意：如果Singleton必须拓展一个超类，而不是扩展Enum的时候，则不宜使用这个方法。

参考

1. Eric Freeman；ElElisabeth Freeman.HeadFirst设计模式[M]. 北京:中国电力出版社, 2007.
2. Joshua Bloch.Effective Java中文版（原书第3版）[M]. 北京:机械工业出版社, 2018.
3. 漫话：如何给女朋友解释什么是单例模式？