单例模式详解【设计模式】

单例设计模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式的结构

单例模式的主要有以下角色：

• 单例类。只能创建一个实例的类
• 访问类。使用单例类

单例模式的实现

单例设计模式分类两种：

​ 饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建

​ 懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建

1. 饿汉式-方式1（静态变量方式）

   /**
    * 饿汉式
    *      静态变量创建类的对象
    */
   public class Singleton {
       //私有构造方法
       private Singleton() {}
   
       //在成员位置创建该类的对象
       private static Singleton instance = new Singleton();
   
       //对外提供静态方法获取该对象
       public static Singleton getInstance() {
           return instance;
       }
   }
   

   说明：

   ​ 该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并创建Singleton类的对象instance。instance对象是随着类的加载而创建的。如果该对象足够大的话，而一直没有使用就会造成内存的浪费。

2. 饿汉式-方式2（静态代码块方式）

   /**
    * 饿汉式
    *      在静态代码块中创建该类对象
    */
   public class Singleton {
   
       //私有构造方法
       private Singleton() {}
   
       //在成员位置创建该类的对象
       private static Singleton instance;
   
       static {
           instance = new Singleton();
       }
   
       //对外提供静态方法获取该对象
       public static Singleton getInstance() {
           return instance;
       }
   }
   

   说明：

   ​ 该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，而对象的创建是在静态代码块中，也是对着类的加载而创建。所以和饿汉式的方式1基本上一样，当然该方式也存在内存浪费问题。

3. 懒汉式-方式1（线程不安全）

   /**
    * 懒汉式
    *  线程不安全
    */
   public class Singleton {
       //私有构造方法
       private Singleton() {}
   
       //在成员位置创建该类的对象
       private static Singleton instance;
   
       //对外提供静态方法获取该对象
       public static Singleton getInstance() {
   
           if(instance == null) {
               instance = new Singleton();
           }
           return instance;
       }
   }
   

   说明：

   ​ 从上面代码我们可以看出该方式在成员位置声明Singleton类型的静态变量，并没有进行对象的赋值操作，那么什么时候赋值的呢？当调用getInstance()方法获取Singleton类的对象的时候才创建Singleton类的对象，这样就实现了懒加载的效果。但是，如果是多线程环境，会出现线程安全问题。

4. 懒汉式-方式2（线程安全）

   /**
    * 懒汉式
    *  线程安全
    */
   public class Singleton {
       //私有构造方法
       private Singleton() {}
   
       //在成员位置创建该类的对象
       private static Singleton instance;
   
       //对外提供静态方法获取该对象
       public static synchronized Singleton getInstance() {
   
           if(instance == null) {
               instance = new Singleton();
           }
           return instance;
       }
   }
   

   说明：

   ​ 该方式也实现了懒加载效果，同时又解决了线程安全问题。但是在getInstance()方法上添加了synchronized关键字，导致该方法的执行效果特别低。从上面代码我们可以看出，其实就是在初始化instance的时候才会出现线程安全问题，一旦初始化完成就不存在了。

5. 懒汉式-方式3（双重检查锁）

   再来讨论一下懒汉模式中加锁的问题，对于 getInstance() 方法来说，绝大部分的操作都是读操作，读操作是线程安全的，所以我们没必让每个线程必须持有锁才能调用该方法，我们需要调整加锁的时机。由此也产生了一种新的实现模式：双重检查锁模式

   /**
    * 双重检查方式
    */
   public class Singleton { 
   
       //私有构造方法
       private Singleton() {}
   
       private static Singleton instance;
   
      //对外提供静态方法获取该对象
       public static Singleton getInstance() {
   		//第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实例
           if(instance == null) {
               synchronized (Singleton.class) {
                   //抢到锁之后再次判断是否为null
                   if(instance == null) {
                       instance = new Singleton();
                   }
               }
           }
           return instance;
       }
   }
   

   双重检查锁模式是一种非常好的单例实现模式，解决了单例、性能、线程安全问题，上面的双重检测锁模式看上去完美无缺，其实是存在问题，在多线程的情况下，可能会出现空指针问题，出现问题的原因是JVM在实例化对象的时候会进行优化和指令重排序操作。

   要解决双重检查锁模式带来空指针异常的问题，只需要使用 volatile 关键字, volatile 关键字可以保证可见性和有序性。

   /**
    * 双重检查方式
    */
   public class Singleton {
   
       //私有构造方法
       private Singleton() {}
   
       private static volatile Singleton instance;
   
      //对外提供静态方法获取该对象
       public static Singleton getInstance() {
   		//第一次判断，如果instance不为null，不进入抢锁阶段，直接返回实际
           if(instance == null) {
               synchronized (Singleton.class) {
                   //抢到锁之后再次判断是否为空
                   if(instance == null) {
                       instance = new Singleton();
                   }
               }
           }
           return instance;
       }
   }
   

   小结：

   添加 volatile 关键字之后的双重检查锁模式是一种比较好的单例实现模式，能够保证在多线程的情况下线程安全也不会有性能问题。

6. 懒汉式-方式4（静态内部类方式）

   静态内部类单例模式中实例由内部类创建，由于 JVM 在加载外部类的过程中, 是不会加载静态内部类的, 只有内部类的属性/方法被调用时才会被加载, 并初始化其静态属性。静态属性由于被 static 修饰，保证只被实例化一次，并且严格保证实例化顺序。

   /**
    * 静态内部类方式
    */
   public class Singleton {
   
       //私有构造方法
       private Singleton() {}
   
       private static class SingletonHolder {
           private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
       }
   
       //对外提供静态方法获取该对象
       public static Singleton getInstance() {
           return SingletonHolder.INSTANCE;
       }
   }
   

   说明：

   ​ 第一次加载Singleton类时不会去初始化INSTANCE，只有第一次调用getInstance，虚拟机加载SingletonHolder

   并初始化INSTANCE，这样不仅能确保线程安全，也能保证 Singleton 类的唯一性。

   小结：

   ​ 静态内部类单例模式是一种优秀的单例模式，是开源项目中比较常用的一种单例模式。在没有加任何锁的情况下，保证了多线程下的安全，并且没有任何性能影响和空间的浪费。