孔乙己的疑问：单例模式有几种写法

引子

单例模式的文章可以说是百家争鸣，今天我也来说道说道，大家共同提升。

单例模式的作用和使用场景

单例模式(Singleton Pattern)

确保某一个类只有一个实例，而且可以自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。单例模式是一种对象创建型模式。

使用场景

比如一个应用中应该只存在一个ImageLoader实例。

Android中的LayoutInflater类等。

EventBus中getDefault()方法获取实例。

保证对象唯一

1. 为了避免其他程序过多建立该类对象。先禁止其他程序建立该类对象
2. 还为了让其他程序可以访问到该类对象，只好在本类中，自定义一个对象。
3. 为了方便其他程序对自定义对象的访问，可以对外提供一些访问方式。

这三步怎么用代码体现呢？
1. 将构造函数私有化。
2. 在类中创建一个本类对象。
3. 提供一个方法可以获取到该对象。

单例模式的十二种写法

一、饿汉式（静态变量）

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

二、饿汉式（静态常量）


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

三、饿汉式（静态代码块）


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

上面三种写法本质上其实是一样的，也是各类文章在介绍饿汉式时常用的方式。但使用静态final的实例对象或者使用静态代码块依旧不能解决在反序列化、反射、克隆时重新生成实例对象的问题。

序列化：一是可以将一个单例的实例对象写到磁盘，实现数据的持久化；二是实现对象数据的远程传输。
当单例对象有必要实现 Serializable 接口时，即使将其构造函数设为私有，在它反序列化时依然会通过特殊的途径再创建类的一个新的实例，相当于调用了该类的构造函数有效地获得了一个新实例！

反射：可以通过setAccessible(true)来绕过 private 限制，从而调用到类的私有构造函数创建对象。

克隆：clone()是 Object 的方法，每一个对象都是 Object 的子类，都有clone()方法。clone()方法并不是调用构造函数来创建对象，而是直接拷贝内存区域。因此当我们的单例对象实现了 Cloneable 接口时，尽管其构造函数是私有的，仍可以通过克隆来创建一个新对象，单例模式也相应失效了。

优点：写法比较简单，在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

那么我们就要考虑懒加载的问题了。

四、懒汉式（线程不安全）


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

优点：懒加载，只有使用的时候才会加载。
缺点：但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，instacnce对象还是空，这时候两个线程同时访问getInstance()方法，因为对象还是空，所以两个线程同时通过了判断，开始执行new的操作。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

五、懒汉式（线程安全，存在同步开销）


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

优点：懒加载，只有使用的时候才会加载，获取单例方法加了同步锁，保正了线程安全。
缺点：效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。

六、懒汉式（线程假装安全，同步代码块）


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

优点：改进了第五种效率低的问题。
缺点：但实际上这个写法还不能保证线程安全，和第四种写法类似，只要两个线程同时进入了 if (singleton == null) { 这句判断，照样会进行两次new操作

接下来就是听起来很牛逼的双重检测加锁的单例模式。

七、DCL「双重检测锁:Double Checked Lock」单例（假）


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

本例的亮点都在getInstance()方法上，可以看到在该方法中对instance进行了两次判空：第一层判断为了避免不必要的同步，第二层判断则是为了在null的情况下创建实例。对第六种单例的漏洞进行了弥补，但是还是有丶小问题的，问题就在instance = new Singleton();语句上。

这语句在这里看起来是一句代码啊，但实际上它并不是一个原子操作，这句代码最终会被编译成多条汇编指令，它大致做了3件事情：

1. 给Singleton的实例分配内存
2. 调用Singleton()的构造函数，初始化成员字段
3. 将instance对象指向分配的内存空间（此时instance就不是null了）

但是，由于Java编译器运行处理器乱序执行，以及jdk1.5之前Java内存模型中Cache、寄存器到主内存会写顺序的规定，上面的第二和第三的顺序是无法保证的。也就是说，执行顺序可能是1-2-3也可能是1-3-2.如果是后者，并且在3执行完毕、2未执行之前，被切换到线程B上，这时候instance因为已经在线程A内执行3了，instance已经是非null，所有线程B直接取走instance，再使用时就会出错，这就是DCL失效问题，而且这种难以跟踪难以重现的问题很可能会隐藏很久。

优点：线程安全；延迟加载；效率较高。
缺点：JVM编译器的指令重排导致单例出现漏洞。

八、DCL「双重检测锁:Double Checked Lock」单例（真，推荐使用）


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

在jdk1.5之后，官方已经注意到这种问题，调整了JVM、具体化了volatile关键字，因此，如果是1.5或之后的版本，只需要将instance的定义改成private static volatile Singleton instance = null;

就可以保证instance对象每次都是从主内存中读取，就可以使用DCL的写法来完成单例模式。当然，volatile多少会影响到性能，但考虑到程序的正确性，牺牲这点性能还是值得的。

优点：线程安全；延迟加载；效率较高。
缺点：由于volatile关键字会屏蔽Java虚拟机所做的一些代码优化，略微的性能降低，但除非你的代码在并发场景比较复杂或者低于JDK6版本下使用，否则，这种方式一般是能够满足需求的。

九、静态内部类（推荐使用）


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

这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似，但又有不同。
两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。不同的地方在饿汉式方式是只要Singleton类被装载就会实例化，没有Lazy-Loading的作用，而静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化，而是在需要实例化时，调用getInstance方法，才会装载SingletonInstance类，从而完成Singleton的实例化。

所以在这里，利用 JVM的 classloder 的机制来保证初始化 instance 时只有一个线程。JVM 在类初始化阶段会获取一个锁，这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化

优点：避免了线程不安全，延迟加载，效率高。
缺点：依旧不能解决在反序列化、反射、克隆时重新生成实例对象的问题。

十、枚举


public enum Singleton {
    INSTANCE
}

枚举类单例模式是《Effective Java》作者 Josh Bloch 极力推荐的单例方法

借助JDK 1.5中添加的枚举来实现单例模式。P.S. Enum是没有clone()方法的

1. 枚举类类型是 final 的「不可以被继承」
2. 构造方法是私有的「也只能私有，不允许被外部实例化，符合单例」
3. 类变量是静态的
4. 没有延时初始化，随着类的初始化就初始化了「从上面静态代码块中可以看出」
5. 由 4 可以知道枚举也是线程安全的

优点：写法简单，不仅能避免多线程同步问题，而且还能防止反序列化、反射、克隆重新创建新的对象。
缺点：JDK 1.5之后才能使用。

十一、登记式单例--使用Map容器来管理单例模式


public class SingletonManger {
    private static Map objectMap = new HashMap();
    private SingletonManger() {
    }
    public static void registerService(String key, Object instance) {
        if (!objectMap.containsKey(key)) {
            objectMap.put(key, instance);
        }
    }
    public static Object getService(String key) {
        return objectMap.get(key);
    }
}

查阅Android源码中的 LayoutInflater 对象就能发现使用了这种写法

优点：在程序的初始，将多种单例类型注入到一个统一的管理类中，在使用时根据key获取对象对应类型的对象。这种方式使得我们可以管理多种类型的单例，并且在使用时可以通过统一的接口进行获取操作，降低了用户的使用成本，也对用户隐藏了具体实现，降低了耦合度。
缺点：不常用，有些麻烦

十二、内部枚举类

在微信公众号看到有大佬说使用枚举配合内部类实现内部枚举类，可以达成线程安全，懒加载，责任单一原则，等等是现在最完美的写法。

四种需求的满足情况图

总结

如果你和我一样是Android开发，那么由于在客户端通常没有高并发的情况，选择哪种实现方式并不会有太大的影响。但即便如此，出于效率考虑我们也应该使用后面几种单例方法。

单例模式的优点

单例模式的优点其实已经在定义中提现了：可以减少系统内存开支，减少系统性能开销，避免对资源的多重占用、同时操作。

单例模式的缺点

1. 违反了单一责任链原则，测试困难
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。
2. 扩展困难
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。修改功能必须修改源码。
3. 共享资源有可能不一致。
现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术，因此，如果实例化的共享对象长时间不被利用，系统会认为它是垃圾，会自动销毁并回收资源，下次利用时又将重新实例化，这将导致共享的单例对象状态的丢失。

注意在Application中存取数据

在Android 应用启动后、任意组件被创建前，系统会自动为应用创建一个 Application类（或其子类）的对象，且只创建一个。从此它就一直在那里，直到应用的进程被杀掉。

所以虽然 Application并没有采用单例模式来实现，但是由于它的生命周期由框架来控制，和整个应用的保持一致，且确保了只有一个，所以可以被看作是一个单例。
但是如果你直接用它来存取数据，那你将得到无穷无尽的NullPointerException。

因为Application 不会永远驻留在内存里，随着进程被杀掉，Application 也被销毁了，再次使用时，它会被重新创建，它之前保存下来的所有状态都会被重置。

要预防这个问题，我们不能用 Application 对象来传递数据，而是要：

1. 通过传统的 intent 来显式传递数据（将 Parcelable 或 Serializable 对象放入Intent / Bundle。Parcelable 性能比 Serializable 快一个量级，但是代码实现要复杂一些）。

2. 重写onSaveInstanceState()以及onRestoreInstanceState()方法，确保进程被杀掉时保存了必须的应用状态，从而在重新打开时可以正确恢复现场。

3. 使用合适的方式将数据保存到数据库或硬盘。

4. 总是做判空保护和处理。

参考文章

《Android 源码设计模式解析与实战》

https://www.cnblogs.com/zhaoyan001/p/6365064.html

https://www.jianshu.com/p/4f4f2fa7e735

https://www.jianshu.com/p/9b3587e8b320