单例模式

荒流2021年7月15日大约 4 分钟约 1322 字

1. 概念

单例模式设定一个类仅能有一个实例，并提供一个唯一的访问它的全局访问点。单例模式的目的是为了保证在一个进程中，某个类有且仅有一个实例。

应用场景：

一个班级只有一个班主任。
Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
一些设备管理器常常设计为单例模式，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。

2. 示例

class Singleton {
    // 使用一个类变量来缓存曾经创建的实例
    private static Singleton instance;
    // 使用private隐藏该构造器
    private Singleton() {
    }
    // 提供一个静态方法，用于返回Singleton实例
    // 该方法可以加入自定义控制，保证只产生一个Singleton对象
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}
public class SingletonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton s1 = Singleton.getInstance();
        Singleton s2 = Singleton.getInstance();
        System.out.print(s1 == s2); // true
    }
}

3. 单例模式的几种实现方式

3.2 懒汉式（线程安全）

这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作。其优点是第一次调用才初始化，避免内存浪费，缺点是必须加锁 synchronized 才能保证单例，会影响效率。

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

3.3. 饿汉式

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。

它基于 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 Singleton {  
    private static Singleton instance = new Singleton();  
    private Singleton (){}  
    public static Singleton getInstance() {  
	    return instance;  
    }  
}

3.4 双检锁

DCL，即 double-checked locking。

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。其特点是：

Lazy 初始化
多线程安全
实现难度较复杂

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;  
    }  
}

3.5 静态内部类

这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单，此法选择对静态域使用延迟初始化，通常应使用这种方式而不是双检锁方式。不过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。

特点：

**是否 Lazy 初始化：**是
**是否多线程安全：**是
**实现难度：**一般

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，它跟饿汉式不同的是：饿汉式只要 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。

public class Singleton {  
    private static class SingletonHolder {  
    	private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
    }  
    
    private Singleton (){}  
    
    public static final Singleton getInstance() {  
    	return SingletonHolder.INSTANCE;  
    }  
}

3.6 枚举

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，因为它更简洁，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。

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

4. 经验之谈

一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。

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