Java —— Singleton 单例模式

创造型模式

• 想确保任何情况下都绝对只有1个实例
• 想在程序上表现出“只存在一个实例”

简介

单例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

• 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。

用处

当想控制实例数目，节省系统资源的时候。可以解决一个全局使用的类频繁地创建与销毁的问题。

简单例子

基础示例

• Singleton类

public class SingleObject {

    /**
     * 创建 SingleObject 的一个对象
     */
    private static SingleObject instance = new SingleObject();

    /**
     * 让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
     */
    private SingleObject(){}

    /**
     * 获取唯一可用的对象
     * @return
     */
    public static SingleObject getInstance(){
        return instance;
    }

    public void showMessage(){
        System.out.println("Hello World!");
    }

}

• 测试类

public class SingletonPatternDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //不合法的构造函数
        //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
        //SingleObject object = new SingleObject();

        //获取唯一可用的对象
        SingleObject object = SingleObject.getInstance();

        //显示消息
        object.showMessage();
    }

}

• 运行结果

Hello World!

懒汉式（线程不安全）

Lazy 初始化：是
多线程安全：否

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。

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton (){}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

懒汉式（线程安全）

Lazy 初始化：是
多线程安全：是
这种方式具备很好的 lazy loading（懒加载），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。

public class Singleton1 {

    private static Singleton1 instance;

    private Singleton1 (){}

    /**
     * 与懒汉式加载（线程不安全但区别在于使用了 synchronized 声明）
     * @return
     */
    public static synchronized Singleton1 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton1();
        }
        return instance;
    }

}

饿汉式

Lazy 初始化：是
多线程安全：是
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。

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。

public class Singleton2 {
	// instance 在类装载时就实例化
    private static Singleton2 instance = new Singleton2();
    
    private Singleton2 (){}
    
    public static Singleton2 getInstance() {
        return instance;
    }

}

双检索 / 双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：1.5起
Lazy 初始化：是
多线程安全：是
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。

public class Singleton3 {

    /**
     * volatile 修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强制从共享内存中重新读取该成员变量的值
     */
    private volatile static Singleton3 Singleton3;

    private Singleton3 (){}

    public static Singleton3 getSingleton3() {
        if (Singleton3 == null) {
            /**
             * synchronized 关键字声明的方法同一时间只能被一个线程访问。
             */
            synchronized (Singleton3.class) {
                if (Singleton3 == null) {
                    Singleton3 = new Singleton3();
                }
            }
        }
        return Singleton3;
    }

}

登记式/静态内部类

Lazy 初始化：是
多线程安全：是
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 饿汉式 种方式不同的是： 饿汉式 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 饿汉式 方式就显得很合理。

public class Singleton4 {
    
    private static class Singleton4Holder {
        private static final Singleton4 INSTANCE = new Singleton4();
    }
    
    private Singleton4 (){}

    /**
     * 当Singleton使用时，不会初始化 INSTANCE，只有在实际调用getInstance()时，才会初始化对象。
     * @return
     */
    public static final Singleton4 getInstance() {
        return Singleton4Holder.INSTANCE;
    }
}

枚举

Lazy 初始化：否
多线程安全：是
实现单例模式的最佳方法[runoob推荐]。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。

public enum Singleton5 {
    
    INSTANCE;
    
    public void whateverMethod() {
        
    }
}

推荐：一般情况下，不建议使用前两种懒汉方式，建议使用饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用双检锁方式。

涉及角色

• Singleton
  单例模式中，只有Singleton一个角色。
  Singleton角色中有一个返回唯一实例的static方法。该方法总是会返回一个实例。

要点

构造函数

构造函数一定要是私有的。

相关的设计模式

• AbstractFactory 抽象工厂模式
• Builder 建造者模式
• Facade 外观模式
• Prototype 原型模式

应用实例

• 一个班级只有一个班主任。
• 多进程多线程环境下，出现多个进程或线程操作同一个文件的现象，所有的文件处理必须通过唯一的实例来进行。
• 一些设备管理器通常会被设置为单例模式，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。
• 饿了要吃饭也是一个单例，不同菜系的菜馆都可以满足我填饱肚子的需求，在真的走进菜馆吃饭的话，不能同时去多个菜馆消费填饱肚子。

优点

• 1、内存只有一个实例，减少内存开销，尤其频繁创建和销毁实例（比如页面缓存）。
• 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

使用场景

• 1、要求生产唯一序列号。
• 2、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。
• 3、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。

代码

GitHub —— Singleton 单例模式