Java单例模式

设计模式是开发中很重要，单例模式是常用的设计模式。

本文用示例介绍Java的单例模式的写法。有如下六种写法：懒汉式，饿汉式，静态内部类，双重校验锁，枚举，非synchronized的加锁。

简介

单例模式需要考虑如下几点

• 线程安全性

• 懒加载

• 性能

要保证多线程环境下也是单例的，使用的时候才会创建对象，而不是一开始就创建对象，有的实现方式需要每次加锁，这样性能很差，有的实现方式不需要每次都加锁，性能很高。 

本文所述的单例模式都是线程安全的。线程不安全的单例模式，不是合格的单例模式。在下边的单例模式中，我比较喜欢静态内部类。如果涉及到反序列化创建对象我会使用枚举的方式。我永远不会使用饿汉式，如果有其他特殊的需求，我可能会使用双重校验锁。

懒汉

懒汉模式就是，它很懒，直到用到的时候才会去创建对象，而不是一开始就创建对象。

• 支持多线程

• 支持懒加载

• 性能很低（因为是加锁同步）

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

饿汉

饿汉模式就是，它很饿，想快点创建对象，此模式在类加载时就立即创建对象。

• 支持多线程（这种方式基于classloder机制保证初始化instance时只有一个线程）

• 不完全支持懒加载（instance在类装载时就实例化，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）

• 性能很高（因为使用时不需要加锁同步）

写法一

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

写法二

表面上看起来差别挺大，其实跟法1差不多，都是在类初始化即实例化instance。

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

静态内部类

在类内部有一个静态内部类，它持有外部类的实例。

• 支持多线程（同样基于classloder机制保证初始化instance时只有一个线程）

• 支持懒加载

• 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，只有显示通过调用getInstance方法时，才会显式装载SingletonHolder类，从而实例化instance）

• 它跟懒汉式不同的是（很细微的差别）：懒汉式是只要Singleton类被装载了，那么instance就会被实例化（没有达到lazy loading效果）

• 一方面：如果实例化instance很耗资源，我想让他延迟加载；另一方面，我不希望在Singleton类加载时就实例化，因为我不能确保Singleton类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这时实例化instance是不合适的。这时，这种方式相比第二种方式（饿汉）就更合理。

• 性能很高（因为使用时不需要加锁同步）

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

双重校验锁

此模式用了两次if判断。

• 是懒汉模式的升级版
• 在JDK1.5之后，双重检查锁定才能够正常达到单例效果
• Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）存在缺陷，即使将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序

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

为什么加volatile关键字？

volatile作用：保证有序性、可见性。

有序性

Singleton singleton = new Singleton() 这句话可以分为三步：

1. 为 Singleton 分配内存空间（加载、链接）；
2. 初始化 singleton；
3. 将 singleton 指向分配的内存空间。

但是由于JVM具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1-3-2。指令重排在单线程下不会出现问题，但是在多线程下会导致一个线程获得一个未初始化的实例。例如：线程T1执行了1和3，此时T2调用 getInstance() 后发现 singleton 不为空，因此返回 singleton， 但是此时的 singleton 还没有被初始化。所以，使用 volatile 会禁止JVM指令重排，从而保证在多线程下也能正常执行。

可见性

把变量声明为 volatile，就指示 JVM，修改的值立即被更新到主存。

普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

为什么有两次校验？

第一次校验：也就是第一个if（singleton == null）

这个是为了代码提高代码执行效率。由于单例模式只要一次创建实例即可，所以当创建了一个实例之后，再次调用getInstance方法就不必要进入同步代码块，不用竞争锁。直接返回前面创建的实例即可。

第二次校验：也就是第二个if（singleton == null）

这个校验是防止二次创建实例。假如有一种情况，当singleton还未被创建时，线程t1调用getInstance方法，由于第一次判断singleton ==null，此时线程t1准备继续执行，但是由于资源被线程t2抢占了，此时t2页调用getInstance方法，同样的，由于singleton并没有实例化，t2同样可以通过第一个if，然后继续往下执行，同步代码块，第二个if也通过，然后t2线程创建了一个实例singleton。此时t2线程完成任务，资源又回到t1线程，t1此时也进入同步代码块，如果没有这个第二个if，那么，t1就也会创建一个singleton实例，那么，就会出现创建多个实例的情况，但是加上第二个if，就可以完全避免这个多线程导致多次创建实例的问题。

所以说：两次校验都必不可少。

枚举

Effective Java作者Josh Bloch 提倡的方式。

• 支持多线程（可保证只有一个实例。这与枚举类的实现有关）

• 支持防止反序列化和防止反射破坏单例

public enum Singleton {
    INSTANCE;
}

package org.example.a;
 
enum MyEnum{
    FIRST("第一个"),
    SECOND("第二个");
 
    private String desc;
    private MyEnum(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
 
    public String getDesc() {
        return desc;
    }
 
    private String lastName;
 
    public String getLastName() {
        return lastName;
    }
 
    public void setLastName(String lastName) {
        this.lastName = lastName;
    }
}
 
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        MyEnum.FIRST.setLastName("Tony");
        System.out.println(MyEnum.FIRST.getLastName());
        System.out.println(MyEnum.FIRST.getDesc());
        MyEnum myEnum = MyEnum.FIRST;
        MyEnum myEnum1 = MyEnum.FIRST;
        System.out.println(myEnum == myEnum1);
    }
}

Tony
第一个
true

非synchronized (不常用)

CAS

package org.example.a;
 
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
 
public class Singleton {
    private static final AtomicReference INSTANCE = 
            new AtomicReference();
 
    private Singleton() {
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        for (; ; ) {
            Singleton singleton = INSTANCE.get();
            if (null != singleton) {
                return singleton;
            }
 
            singleton = new Singleton();
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {
                return singleton;
            }
        }
    }
}

 ThreadLocal

package org.example.a;
 
public class Singleton {
    private static final ThreadLocal singleton =
            new ThreadLocal() {
                @Override
                protected Singleton initialValue() {
                    return new Singleton();
                }
            };
 
    public static Singleton getInstance() {
        return singleton.get();
    }
 
    private Singleton() {
    }
}