在Java开发过程中，很多场景下都会碰到或要用到单例模式，在设计模式里也是经常作为指导学习的热门模式之一，相信每位开发同事都用到过。我们总是沿着前辈的足迹去做设定好的思路，往往没去探究为何这么做，所以这篇文章对单例模式做了详解。
一、单例模式定义：
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。在计算机系统中，线程池、缓存、日志对象、对话框、打印机、显卡的驱动程序对象常被设计成单例。这些应用都或多或少具有资源管理器的功能。每台计算机可以有若干个打印机，但只能有一个Printer Spooler，以避免两个打印作业同时输出到打印机中。每台计算机可以有若干通信端口，系统应当集中管理这些通信端口，以避免一个通信端口同时被两个请求同时调用。总之，选择单例模式就是为了避免不一致状态，避免政出多头。
二、单例模式特点：
1、单例类只能有一个实例。
2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。
单例模式保证了全局对象的唯一性，比如系统启动读取配置文件就需要单例保证配置的一致性。
三、线程安全的问题
一方面在获取单例的时候，要保证不能产生多个实例对象，后面会详细讲到五种实现方式；
另一方面，在使用单例对象的时候，要注意单例对象内的实例变量是会被多线程共享的，推荐使用无状态的对象，不会因为多个线程的交替调度而破坏自身状态导致线程安全问题，比如我们常用的VO，DTO等（局部变量是在用户栈中的，而且用户栈本身就是线程私有的内存区域，所以不存在线程安全问题）。
四、单例模式的选择
还记得我们最早使用的MVC框架Struts1中的action就是单例模式的，而到了Struts2就使用了多例。在Struts1里，当有多个请求访问，每个都会分配一个新线程，在这些线程，操作的都是同一个action对象，每个用户的数据都是不同的，而action却只有一个。到了Struts2， action对象为每一个请求产生一个实例，并不会带来线程安全问题（实际上servlet容器给每个请求产生许多可丢弃的对象，但是并没有影响到性能和垃圾回收问题，有时间会做下研究）。
五、实现单例模式的方式
1.饿汉式单例（立即加载方式）
// 饿汉式单例
public class Singleton1 {
// 私有构造
private Singleton1() {}
private static Singleton1 single = new Singleton1();
// 静态工厂方法
public static Singleton1 getInstance() {
return single;
}
}
饿汉式单例在类加载初始化时就创建好一个静态的对象供外部使用，除非系统重启，这个对象不会改变，所以本身就是线程安全的。
Singleton通过将构造方法限定为private避免了类在外部被实例化，在同一个虚拟机范围内，Singleton的唯一实例只能通过getInstance()方法访问。（事实上，通过Java反射机制是能够实例化构造方法为private的类的，那基本上会使所有的Java单例实现失效。此问题在此处不做讨论，姑且闭着眼就认为反射机制不存在。）
2.懒汉式单例（延迟加载方式）
// 懒汉式单例
public class Singleton2 {
// 私有构造
private Singleton2() {}
private static Singleton2 single = null;
public static Singleton2 getInstance() {
if(single == null){
single = new Singleton2();
}
return single;
}
}
该示例虽然用延迟加载方式实现了懒汉式单例，但在多线程环境下会产生多个single对象，如何改造请看以下方式:
使用synchronized同步锁
public class Singleton3 {
// 私有构造
private Singleton3() {}
private static Singleton3 single = null;
public static Singleton3 getInstance() {
// 等同于 synchronized public static Singleton3 getInstance()
synchronized(Singleton3.class){
// 注意：里面的判断是一定要加的，否则出现线程安全问题
if(single == null){
single = new Singleton3();
}
}
return single;
}
}
在方法上加synchronized同步锁或是用同步代码块对类加同步锁，此种方式虽然解决了多个实例对象问题，但是该方式运行效率却很低下，下一个线程想要获取对象，就必须等待上一个线程释放锁之后，才可以继续运行。
public class Singleton4 {
// 私有构造
private Singleton4() {}
//重点注意volatile
private static volatile Singleton4 single = null;
// 双重检查
public static Singleton4 getInstance() {
if (single == null) { //操作①第一次检查
synchronized (Singleton4.class) {
if (single == null) { //操作②第二次检查
single = new Singleton4(); //操作③
}
}
}
return single;
}
}
使用双重检查进一步做了优化，可以避免整个方法被锁，只对需要锁的代码部分加锁，可以提高执行效率。
操作③可以分解为几个独立的子操作：
objRef = allocate(Singleton4.class);//子操作①：分配存储空间
invokeConstructor(objRef);//子操作②：初始化objRef引用的对象
single = objRef;//子操作③：将对象引用写入共享变量
根据锁的重排序规则，临界区内的操作可以在临界区内被重排。所以，JIN编译器可能将上述子操作重排为：①->③->②，即在初始化对象之前将对象的引用写入实例变量single。由于锁对有序性的保障是有条件的，而操作①（第一次检查）读取single变量时没有加锁，因此上述重排序对操作①的执行线程是有影响的：该线程可能看到一个未初始化（或未初始化完成）的实例，即变量single的值不是null，但是该变量所引用的对象中的某些实例变量的变量值可能仍为默认值，而不是构造器中设置的初始值。也就是说，一个线程在执行操作①的时候发现single不为null，于是该线程就直接返回这个single变量锁引用的实例，而这个实例可能是未初始化完成的，这就可能导致错误。
解决：如上的重点注意，加上volatile关键字。
3.静态内部类实现
public class Singleton6 {
// 私有构造
private Singleton6() {}
// 静态内部类
private static class InnerObject{
private static Singleton6 single = new Singleton6();
}
public static Singleton6 getInstance() {
return InnerObject.single;
}
}
静态内部类虽然保证了单例在多线程并发下的线程安全性，但是在遇到序列化对象时，默认的方式运行得到的结果就是多例的。这种情况不多做说明了，使用时请注意。
4.static静态代码块实现
public class Singleton6 {
// 私有构造
private Singleton6() {}
private static Singleton6 single = null;
// 静态代码块
static{
single = new Singleton6();
}
public static Singleton6 getInstance() {
return single;
}
}
5.内部枚举类实现
public class SingletonFactory {
// 内部枚举类
private enum EnmuSingleton{
Singleton;
private Singleton8 singleton;
//枚举类的构造方法在类加载是被实例化
private EnmuSingleton(){
singleton = new Singleton8();
}
public Singleton8 getInstance(){
return singleton;
}
}
public static Singleton8 getInstance() {
return EnmuSingleton.Singleton.getInstance();
}
}
class Singleton8{
public Singleton8(){}
}
以上就是本文要介绍的所有单例模式的理解和实现，相信这篇文章能让大家更清楚的理解单例模式，希望大家有问题可以探讨，多多指教！
备注：本文单例实现部分，实例源码参照《Java多线程编程核心技术》-（高洪岩）一书中第六章的学习案例撰写。
《java多线程编程实战指南 核心篇》 - （黄文海）