java设计模式之--单例模式
单例模式
单例模式限制类的实例和确保java类在java虚拟机中只有一个实例的存在。
单例类必须提供一个全局的访问来获取类的实例。
单例模式用来日志，驱动对象，缓存和线程池。
单例设计模式也用在其他设计模式，例如抽象工厂，建造者，原型，门面等设计模式。
单例模式还用在核心java中，例如java.lang.Runtime, java.awt.Desktop
java单例模式
为了实现Singleton模式，我们有不同的方法，但它们都有以下共同的概念。
- 私有构造方法限制从其他类初始化类的实例。
- 私有静态变量与该类的实例相同。
- 公有静态方法返回类的实例，这是提供给外部访问的全局访问点来获取单例类的实例。在以下的章节，我们将学习单例模式的不同实现方法。
常见的实现方式如下
- 饿汉式
- 懒汉式
volatile双重检查锁机制- 静态内部类
- 枚举（天生单例）
饿汉式
顾名思义，饿汉式就是第一次引用该类的时候就创建实例对象，而不管是否需要。代码如下：
public class Singleton {
private static Singleton singleton = new Singleton();
private Singleton() {}
public static Singleton getSignleton(){
return singleton;
}
}优缺点：这样做的好处是代码简单，但是无法做到延迟加载。但是很多时候我们希望能够延迟加载，从而减小负载，所以就有了下面的懒汉式；
懒汉式
单线程写法
这种写法是最简单的，由私有构造器和一个公有静态工厂方法构成，在工厂方法中对singleton进行null判断，如果是null就new一个出来，最后返回singleton对象。
这种方法可以实现延时加载，但是有一个致命弱点：线程不安全。如果有两条线程同时调用getSingleton()方法，就有很大可能导致重复创建对象。
public class Singleton {
private static Singleton singleton = null;
private Singleton(){}
public static Singleton getSingleton() {
if(singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
}线程安全写法
这种写法考虑了线程安全，将对singleton的null判断以及new的部分使用synchronized进行加锁。同时，对singleton对象使用volatile关键字进行限制，保证其对所有线程的可见性，并且禁止对其进行指令重排序优化。如此即可从语义上保证这种单例模式写法是线程安全的。注意，这里说的是语义上，实际使用中还是存在小坑的，会在后文写到。
public class Singleton {
private static volatile Singleton singleton = null;
private Singleton(){}
public static Singleton getSingleton(){
synchronized (Singleton.class){
if(singleton == null){
singleton = new Singleton();
}
}
return singleton;
}
}双重检查锁
虽然上面这种写法是可以正确运行的，但是其效率低下，还是无法实际应用。因为每次调用getSingleton()方法，都必须在synchronized这里进行排队，而真正遇到需要new的情况是非常少的。所以，就诞生了第三种写法：
public class Singleton {
private static volatile Singleton singleton = null;
private Singleton(){}
public static Singleton getSingleton(){
if(singleton == null){
synchronized (Singleton.class){
if(singleton == null){
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}这种写法被称为“双重检查锁”，顾名思义，就是在getSingleton()方法中，进行两次null检查。看似多此一举，但实际上却极大提升了并发度，进而提升了性能。为什么可以提高并发度呢？就像上文说的，在单例中new的情况非常少，绝大多数都是可以并行的读操作。因此在加锁前多进行一次null检查就可以减少绝大多数的加锁操作，执行效率提高的目的也就达到了；
双重检查锁机制的坑
那么，这种写法是不是绝对安全呢？前面说了，从语义角度来看，并没有什么问题。但是其实还是有坑。
- 说这个坑之前我们要先来看看volatile这个关键字。其实这个关键字有两层语义。
- 第一层语义大家相对比较熟悉，可见性。可见性是指在一个线程中对该变量的修改由工作内存（Work Memory）写回主内存（Main Memory），所以会马上反应到其他线程的读写操作中。顺便一提，工作内存和主内存可以近似理解成电脑中的高速缓存和主存，
工作内存是线程独享的，主存是线程共享的。 - volatile的第二层语义是防止指令重排。大家知道我们写的代码（尤其是多线程代码），由于编译器优化，在实际执行的时候可能和我们编写的顺序不同。编译器只保证程序执行结果和源代码相同，却不保证实际指令的顺序和源代码相同。这在单线程没什么问题，然而一旦引入多线程，这种乱序就可能导致严重问题。volatile关键字就可以从语义上解决这个问题。
注意，禁止指令重排优化这条语义直到jdk1.5以后才能正确工作。此前的JDK中即使将变量声明为volatile也无法完全避免重排序所导致的问题。所以，在jdk1.5版本前，双重检查锁形式的单例模式是无法保证线程安全的。
静态内部类
那么，有没有一种延时加载，并且能保证线程安全的简单写法呢？我们可以把Singleton实例放到一个静态内部类中，这样就避免了静态实例在Singleton类加载的时候就创建对象，并且由于静态内部类只会被加载一次，所以这种写法也是线程安全的：
public class Singleton {
private static class Holder {
private static Singleton singleton = new Singleton();
}
private Singleton(){}
public static Singleton getSingleton(){
return Holder.singleton;
}
}但是，上面提到的所有实现方式都有两个共同的缺点：
- 都需要额外的工作(
Serializable、transient、readResolve())来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象实例时都会创建一个新的实例。 - 可能会有人使用反射强行调用我们的私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。
枚举写法
当然，还有一种更加优雅的方法来实现单例模式，那就是枚举写法：
public enum SingleEnum {
NEW_INSTANCE {
@Override
protected void doSomething() {
System.out.println("----业务方法调用----");
}
};
SingleEnum() {
}
/**
* 业务方法定义
*/
protected abstract void doSomething();
public static void main(String[] args) {
SingleEnum.NEW_INSTANCE.doSomething();
}
}使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。因此，Effective Java推荐尽可能地使用枚举来实现单例。
总结
代码没有一劳永逸的写法，只有在特定条件下最合适的写法。在不同的平台、不同的开发环境（尤其是jdk版本）下，自然有不同的最优解（或者说较优解）。
比如枚举，虽然Effective Java中推荐使用，但是在Android平台上却是不被推荐的。在这篇Android Training中明确指出：
Enums often require more than twice as much memory as static constants. You should strictly avoid using enums on Android.
再比如双重检查锁法，不能在jdk1.5之前使用，而在Android平台上使用就比较放心了（一般Android都是jdk1.6以上了，不仅修正了volatile的语义问题，还加入了不少锁优化，使得多线程同步的开销降低不少）。
最后，不管采取何种方案，请时刻牢记单例的三大要点：
- 线程安全
- 延迟加载
- 序列化与反序列化安全
参考资料
《Effective Java（第二版）》
《深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践（第二版）》