設計模式 - 單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單最經常使用的設計模式之一。這種類型的設計模式屬於建立型模式，它提供了一種建立對象的最佳方式。

意圖

在一個應用中只能有一個類的實例提供給全局使用

實現步驟

1. 將構造方法私有化，不容許外部直接建立實例
2. 建立 / 聲明一個類的惟一實例, 使用private static修飾
3. 提供一個用於獲取實例的方法，返回Singleton實例， 使用public static修飾

實現方式

單例模式的基本的實現有2種

1. 餓漢式
2. 懶漢式（線程不安全）

但其延伸實現還有4種（基本都是爲了解決懶漢式的線程不安全，因此如下4種都是線程安全的）

3. 懶漢式（線程安全）
4. 雙檢鎖/雙重校驗鎖（DCL，即 double-checked locking）
5. 登記式/靜態內部類
6. 枚舉

餓漢式

是否 Lazy 初始化：否
是否多線程安全：是
實現難度：易
描述：這種方式比較經常使用，但容易產生垃圾對象。
優勢：沒有加鎖，執行效率會提升。
缺點：類加載時就初始化，浪費內存。

它基於 classloder 機制避免了多線程的同步問題，不過，instance 在類裝載時就實例化，雖然致使類裝載的緣由有不少種，在單例模式中大多數都是調用 getInstance 方法， 可是也不能肯定有其餘的方式（或者其餘的靜態方法）致使類裝載，這時候初始化 instance 顯然沒有達到 lazy loading 的效果。

package com.dotleo.singleton;

/**
 * 餓漢式單例模式
 *
 * 應用場合： 有些對象只須要一個就足夠了，如古代皇帝、老婆
 * 做用： 保證整個應用程序中某個實例有且只有一個
 * 類型： (餓漢式)、懶漢式
 * Q： 爲何叫餓漢？
 * A： 步驟2 中，由於使用了static，因此建立對象是在類加載時，就像餓了的漢子，等不及飯作好就生吃了（等不及使用時就建立了）。
 * @author LiuFei
 * @create 2017-12-03 16:11
 */
public class HungerSingleton {

    // 1. 將構造方法私有化，不容許外部直接建立實例
    private HungerSingleton() {  }

    // 2. 建立類的惟一實例, 使用private static修飾
    private static HungerSingleton instance = new HungerSingleton();

    // 3. 提供一個用於獲取實例的方法，返回Singleton實例， 使用public static修飾
    public static HungerSingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

懶漢式（線程不安全）

是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：否
實現難度：易
描述：

這種方式是最基本的實現方式，這種實現最大的問題就是不支持多線程。由於沒有加鎖 synchronized，因此嚴格意義上它並不算單例模式。

這種方式 lazy loading 很明顯，不要求線程安全，在多線程不能正常工做。

package com.dotleo.singleton;

/**
 * 懶漢式單例模式
 *
 * 應用場合： 有些對象只須要一個就足夠了，如古代皇帝、老婆
 * 做用： 保證整個應用程序中某個實例有且只有一個
 * 類型： 餓漢式、(懶漢式)
 * Q： 爲何叫懶漢？
 * A： 當類加載的時候，並無獲取類的實例，只有當用戶使用時，纔會建立實例。
 * @author LiuFei
 * @create 2017-12-03 16:11
 */
public class LazySingleton {

    // 1. 將構造方法私有化，不容許外部直接建立實例
    private LazySingleton() {  }

    // 2. 建立類的惟一實例, 使用private static修飾
    private static LazySingleton instance;

    // 3. 提供一個用於獲取實例的方法，返回Singleton實例， 使用public static修飾
    public static LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

懶漢式（線程安全）

是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：是
實現難度：易
描述：

這種方式具有很好的 lazy loading，可以在多線程中很好的工做，可是，效率很低，99% 狀況下不須要同步。

優勢：第一次調用才初始化，避免內存浪費。
缺點：必須加鎖 synchronized 才能保證單例，但加鎖會影響效率。

getInstance() 的性能對應用程序不是很關鍵（該方法使用不太頻繁）。

public class LazySingleton {

    // 1. 將構造方法私有化，不容許外部直接建立實例
    private LazySingleton() {  }

    // 2. 建立類的惟一實例, 使用private static修飾
    private static LazySingleton instance;

    // 3. 提供一個用於獲取實例的方法，返回Singleton實例， 使用public static修飾
    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

雙檢鎖/雙重校驗鎖（DCL，即 double-checked locking）

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：是
實現難度：較複雜
描述：

這種方式採用雙鎖機制，安全且在多線程狀況下能保持高性能。

getInstance() 的性能對應用程序很關鍵。

public class LazySingleton {

    // 1. 將構造方法私有化，不容許外部直接建立實例
    private LazySingleton() {  }

    // 2. 建立類的惟一實例, 使用private volatile static修飾
    private volatile static LazySingleton instance;

    // 3. 提供一個用於獲取實例的方法，返回Singleton實例， 使用public static修飾
    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (LazySingleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new LazySingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

登記式/靜態內部類

是否 Lazy 初始化：是
是否多線程安全：是
實現難度：通常
描述：

這種方式能達到雙檢鎖方式同樣的功效，但實現更簡單。對靜態域使用延遲初始化，應使用這種方式而不是雙檢鎖方式。這種方式只適用於靜態域的狀況，雙檢鎖方式可在實例域須要延遲初始化時使用。

這種方式一樣利用了 classloder 機制來保證初始化 instance 時只有一個線程，它跟第 3 種方式不一樣的是：第 3 種方式只要 Singleton 類被裝載了，那麼 instance 就會被實例化（沒有達到 lazy loading 效果），而這種方式是 Singleton 類被裝載了，instance 不必定被初始化。由於 SingletonHolder 類沒有被主動使用，只有顯示經過調用 getInstance 方法時，纔會顯示裝載 SingletonHolder 類，從而實例化 instance。想象一下，若是實例化 instance 很消耗資源，因此想讓它延遲加載，另一方面，又不但願在 Singleton 類加載時就實例化，由於不能確保 Singleton 類還可能在其餘的地方被主動使用從而被加載，那麼這個時候實例化 instance 顯然是不合適的。這個時候，這種方式相比第 3 種方式就顯得很合理。

public class Singleton {  
 
    // 1. 將構造方法私有化，不容許外部直接建立實例
    private Singleton (){}  

     // 2. 建立類的惟一實例, 使用private static修飾
    private static class SingletonHolder {  
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    } 

    // 3. 提供一個用於獲取實例的方法，返回Singleton實例， 使用public static修飾
    public static final Singleton getInstance() {  
    return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

枚舉

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：否
是否多線程安全：是
實現難度：易
描述：

這種實現方式尚未被普遍採用，但這是實現單例模式的最佳方法。它更簡潔，自動支持序列化機制，絕對防止屢次實例化。

這種方式是 Effective Java 做者 Josh Bloch 提倡的方式，它不只能避免多線程同步問題，並且還自動支持序列化機制，防止反序列化從新建立新的對象，絕對防止屢次實例化。不過，因爲 JDK1.5 以後才加入 enum 特性，用這種方式寫難免讓人感受生疏，在實際工做中，也不多用。

不能經過 reflection attack 來調用私有構造方法。

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

使用選擇

通常狀況下，不建議使用第 2種和第3 種懶漢方式，建議使用第1 種餓漢方式。只有在要明確實現 lazy loading 效果時，纔會使用第 5 種登記方式。若是涉及到反序列化建立對象時，能夠嘗試使用第 6 種枚舉方式。若是有其餘特殊的需求，能夠考慮使用第 4 種雙檢鎖方式。

適合場景

1. 在多個功能模塊裏都須要寫log。爲了把log集中處理，便於分析與運維，log對象能夠是單例的。
2. 有一個配置文件，不少功能模塊都會須要其中的一部分數據，模塊1須要A部分，模塊2須要B部分。配置文件對象能夠是單例的。
3. 線程池是單例，咱們實現建立一個線程池，避免使用時再建立的低效，用時獲取，用完歸還。
4. 數據庫鏈接池，同上
5. 緩存，緩存屬於全局，不少功能模塊都須要其中的一部分數據（如2），因此也是須要單例建立