Java设计模式之单例模式

单例模式是一种设计模式，它的目的是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。这个模式通常在需要控制资源访问权、限制实例化数量或实现全局共享时使用。

在实现单例模式时，一般会定义一个私有的构造函数，以防止外部直接实例化该类。然后，提供一个静态方法来获取该类的唯一实例，该方法会判断实例是否已经存在，如果存在则直接返回该实例，否则创建一个新的实例并返回。

以下是一个简单的单例模式的示例（使用懒汉式实现）：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
        // 私有构造函数
    }

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

在这个示例中，Singleton 类的构造函数被声明为私有的，确保外部无法直接实例化该类。getInstance() 方法是获取唯一实例的入口，它会在第一次调用时创建一个新的实例，并在后续调用时直接返回该实例。

需要注意的是，上面示例的单例模式并不适用于多线程环境下。如果在多线程中同时调用getInstance() 方法，可能会导致创建多个实例。可以通过添加线程同步机制来解决这个问题，但会带来额外的性能开销。因此，在多线程环境下，需要考虑使用其他方式来实现单例模式，如双重检查锁定（Double-Checked Locking）或静态内部类等。

接下来介绍几种支持多线程的实现方式。

线程安全懒汉式

优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。

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

饿汉式

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;  
    }  
}

懒汉式与饿汉式的根本区别在与是否在类内方法外创建自己的对象。

并且声明对象都需要私有化，构造方法都要私有化，这样外部才不能通过 new 对象的方式来访问。

饿汉式的话是声明并创建对象(因为他饿)，懒汉式的话只是声明对象，在调用该类的 getinstance() 方法时才会进行 new 对象。

双检锁/双重校验锁（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。

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;  
    }  
}

登记式/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。对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。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。
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，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 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。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

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