java23种设计模式之一: 单例模式（Singleton Pattern）

单例模式(Singleton Pattern)是设计模式中比较常用的一种，下面来总结单例模式的知识，包括：

1、理解什么是单例模式、单例模式有什么优点/缺点、单例模式的应用场景；

2、再来看看Java单例模式的6种代码实现方式、每种实现方式有什么需要注意的；

3、后面再来了解Java单例模式其他值得关注的地方，如比较静态方法、以及Java反射、反序列化、垃圾回收的影响等。

1、什么是单例模式

1-1、模式理解

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。

UML结构图：

模式角色：

一个类使用了单例模式，称该类为单例类，如图中的Singleton。

单例模式三要点：

（1）、单例类只能有一个实例

这是最基本的，真正做到整个系统中唯一并不容易，通常还要考虑反射破坏、序列化/反序列化、对象垃圾回收等问题。

（2）、单例类必须自己创建自己的唯一实例

通常给实例构造函数protected或private权限。

（3）、单例类必须给所有其他对象提供这一实例

通常定义静态方法getInstance()返回。

1-2、特点

优点：

（1）、提供了对唯一实例的受控访问，避免对资源的多重占用。

（2）、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。

（3）缩小名空间，避免全局变量污染空间，但比类操作更灵活。

缺点：

（1）、由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。

（2）、单例类的职责过重，在一定程度上违背了"单一职责原则"。

因为单例类既充当了工厂角色，提供了工厂方法，同时又充当了产品角色，包含一些业务方法，将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。所以也不应过多使用单例模式。

1-3、应用

单例模式是一种对象创建型模式，用来编写一个类，在整个应用系统中只能有该类的一个实例对象。

常见应用场景：

线程池、缓存、日志、配置文件、打印机/显卡等硬件设备的驱动程序对象等等。

JDK中的一些应用：

　　 java.lang.Runtime#getRuntime()

　　 java.text.NumberFormat#getInstance()

　　 java.awt.GraphicsEnvironment#getLocalGraphicsEnvironment()

2、单例模式实现示例

2-1、饿汉式（简单可用）

Lazy 初始化：否；

多线程安全：是；

描述：

这种方式比较常用，它基于JVM的类加载器机制避免了多线程的同步问题，对象在类装载时就实例化，所以称为饿汉式。

优点：没有加锁，执行效率会提高。

缺点：没有Lazy初始化，可能有时候不需要使用，浪费内存。

代码实例：

public class Singleton {

    private static Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton (){}

    public static Singleton getInstance() {

        return instance;

    }

2-2、懒汉式（线程不安全，不可用）
Lazy 初始化：是；

多线程安全：否；

描述：

能够在getInstance()时再创建对象，所以称为懒汉式。这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁同步。

代码实例：

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton (){}

    public static Singleton getInstance() {

        if (instance == null) {

            instance = new Singleton();

        }

        return instance;

    }

2-3、同步方法的懒汉式（同步方法效率低，不推荐）

Lazy 初始化：是

多线程安全：是

描述：

　　除第一次使用，后面getInstance()不需要同步；每次同步，效率很低。

代码实例：

public class Singleton {

    private static Singleton instance;

    private Singleton (){}

    public static synchronized Singleton getInstance() {

        if (instance == null) {

            instance = new Singleton();

        }

        return instance;

    }

2-4、双重校验锁（可用）
Lazy 初始化：是；

多线程安全：是；

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。

实例变量需要加volatile 关键字保证易变可见性，JDK1.5起才可用。

代码实例：

public class Singleton {

    private volatile static Singleton singleton;

    private Singleton (){}

    public static Singleton getSingleton() {

        if (singleton == null) {

            synchronized (Singleton.class) {

                if (singleton == null) {

                    singleton = new Singleton();

                 }

             }

        }

        return singleton;

    }

2-5、静态内部类（推荐）

Lazy 初始化：是；

多线程安全：是；

描述：

同样利用了JVM类加载机制来保证初始化实例对象时只有一个线程，静态内部类SingletonHolder 类只有第一次调用 getInstance 方法时，才会装载从而实例化对象。

代码实例：

public class Singleton {

    private static class SingletonHolder {

       private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    }

    private Singleton (){}

    public static final Singleton getInstance() {

        return SingletonHolder.INSTANCE;

    }

2-6、枚举（《Effective Java》推荐，不常见）

Lazy 初始化：否；

多线程安全：是；

描述：

从Java1.5开始支持enum特性；无偿提供序列化机制，绝对防止多次实例化，即使在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候。

不过，用这种方式写不免让人感觉生疏，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。

代码实例

public enum Singleton {

    //定义一个枚举的元素，就代表Singleton实例

    INSTANCE;

    /*

    **假如还定义有下面的方法，调用：Singleton.INSTANCE.doSomethingMethod();

    */

    public void doSomethingMethod() {

    }

2-7、小结

以上6种单例实现方式，不是线程安全的不能用，至于是否需要延时加载，看情况而定。

一般情况下，使用最基本、最简单的第一种饿汉式就行了（JDK中有不少使用该种方式），需要延时加载的使用静态内部类方式，需要高安全性的可以使用第6种枚举方式。