设计模式 | 单例模式

1.核心作用
2.常见场景
3.单例模式的优点
4.常见的五种单例模式实现方式
- 4.1 饿汉式
- 4.2 懒汉式
- 4.3 DCL懒汉式（双重检测锁模式）
- 4.4 静态内部类
- 4.5 枚举
5.五种实现单例模式的方式的对比

1.核心作用

保证一个类只有一个实例，提供一个访问该实例的全局访问点。

2.常见场景

3.单例模式的优点

4.常见的五种单例模式实现方式

4.1 饿汉式

步骤：

私有化构造器
类初始化时，立即加载对象【不涉及线程安全问题】
提供获取该对象的方法【没有Synchronized，效率高】

// 恶汉式public class SingletonDemo1 {private SingletonDemo1(){};private static SingletonDemo1 instance= new SingletonDemo1();public static SingletonDemo1 GetInstance(){return instance;}
}class SingletonDemo1Test {public static void main(String[] args) {SingletonDemo1 instance1 = SingletonDemo1.GetInstance();SingletonDemo1 instance2 = SingletonDemo1.GetInstance();boolean b = instance1 == instance2;System.out.println(b);//输出：true}
}

优点： 线程安全，调用效率高

缺点： 不能延时加载，如果长时间不用，会造成资源浪费

解决方案： 懒汉式

4.2 懒汉式

步骤：

私有化构造器
类初始化时，不立即加载对象
提供获取该对象的方法，在该方法上用Synchronized关键字，解决多线程冲突问题

//懒汉式
public class SingletonDemo2 {//1. 私有化构造器private  SingletonDemo2(){};//2. 类初始化时，不立即加载对象private static SingletonDemo2 instance;//3. 提供获取该对象的方法，在该方法上用Synchronized关键字，解决多线程冲突问题public static synchronized SingletonDemo2 getInstance(){if(instance!=null){return new SingletonDemo2();}return instance;}}class SingletonDemo2Test {public static void main(String[] args) {SingletonDemo2 instance1 = SingletonDemo2.getInstance();SingletonDemo2 instance2 = SingletonDemo2.getInstance();boolean b = instance1 == instance2;System.out.println(b);//输出：true}
}

优点： 延时加载，即在调用方法时产生对象，解决恶汉式资源浪费的问题。
缺点： Synchronized关键字会使代码效率变低
解决方案： DCL懒汉式，即双重检测锁模式，解决代码效率问题。

4.3 DCL懒汉式（双重检测锁模式）

步骤：

私有化构造器
类初始化时，不立即加载对象
提供获取该对象的方法，用volatile关键字避免指令重排带来的问题；缩小Synchronized代码块范围，解决代码效率问题。

//DCL懒汉式(双重检测锁模式)
public class SingletonDemo3 {//私有化构造器private SingletonDemo3() {}//只提供一个实例，并不创建对象//使用避免指令重排带来的线程安全问题//volatile：对于同一个变量，在一个线程中值发生了改变，则在另一个线程中立即生效，可以大幅度避免下面的问题，不排除极端情况private static volatile SingletonDemo3 instance;//提供公共的获取方法,因为不是在类加载时就创建对象，因此存在线程安全问题，使用同步代码块提高效率//现在不需要对整个方法进行同步，缩小了锁的范围，只有第一次会进入创建对象的方法，提高了效率//当第一个线程执行到创建对象的方法时，但还未出方法返回，此时第二个线程进入，发现instance不为空，但第一个线程此时还未出去，可能发送意想不到的安全问题public static SingletonDemo3 getInstance() {if (instance == null) {synchronized (SingletonDemo3.class) {if (instance == null) {instance = new SingletonDemo3();}}}return instance;}
}//测试
class SingletonDemo3Test {public static void main(String[] args) {SingletonDemo3 instance = SingletonDemo3.getInstance();SingletonDemo3 instance1 = SingletonDemo3.getInstance();System.out.println(instance == instance1); //输出true}
}

问题：为什么需要两次判断if(singleTon==null)?

分析：

第一次校验：由于单例模式只需要创建一次实例，如果后面再次调用getInstance方法时，则直接返回之前创建的实例，因此大部分时间不需要执行同步方法里面的代码，大大提高了性能。如果不加第一次校验的话，那跟上面的懒汉模式没什么区别，每次都要去竞争锁。
第二次校验：如果没有第二次校验，假设线程t1执行了第一次校验后，判断为null，这时t2也获取了CPU执行权，也执行了第一次校验，判断也为null。接下来t2获得锁，创建实例。这时t1又获得CPU执行权，由于之前已经进行了第一次校验，结果为null（不会再次判断），获得锁后，直接创建实例。结果就会导致创建多个实例。所以需要在同步代码里面进行第二次校验，如果实例为空，则进行创建。
需要注意的是， private static volatile SingletonDemo3 instance;需要加volatile关键字，否则会出现错误。问题的原因在于JVM指令重排优化的存在。在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。此时就可以将分配的内存地址赋值给instance字段了，然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstance，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。

4.4 静态内部类

步骤：

私有化构造器
使用静态内部类（实现延迟加载）
提供获取该对象的方法

静态内部类：同样也是利用了类的加载机制，它与饿汉模式不同的是，它是在内部类里面去创建对象实例。这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式可以同时保证延迟加载和线程安全。

public class SingletonDemo4 {private SingletonDemo4(){};private static  class InnerClass{private static final SingletonDemo4 instance=new SingletonDemo4();}public static SingletonDemo4 getInstance(){return InnerClass.instance;}
}

优点： 线程安全，调用效率高，可延时加载

缺点： 反射机制可以轻易破坏上述单例

class SingletonDemo4Test {public static void main(String[] args) throws Exception {SingletonDemo4 instance1 = SingletonDemo4.getInstance();Constructor<SingletonDemo4> declaredConstructor = SingletonDemo4.class.getDeclaredConstructor();declaredConstructor.setAccessible(true);SingletonDemo4 instance2 = declaredConstructor.newInstance();System.out.println(instance1==instance2);//输出：false}
}

由上面的例子可以得出，反射是可以破坏以上四种的单例模式（这里不一一演示）

那怎样才能解决这个问题呢，我们来看一下反射创建对象的newInstance()方法：

从源码中可以看出，当反射遇到枚举时直接抛出异常，因此，枚举是创建单例的不二之选

4.5 枚举

原理：在反射的源码中，我们发现，反射天然屏蔽枚举类型，所以枚举的对象纯天然是单例的。

public enum  SingletonDemo5 {INSTANCE;public SingletonDemo5 getInstance(){return INSTANCE;}
}
class SingletonDemo5Test {public static void main(String[] args) {SingletonDemo5 instance1 = SingletonDemo5.INSTANCE;SingletonDemo5 instance2 = SingletonDemo5.INSTANCE;boolean b = instance1 == instance2;System.out.println(b);//输出：true}
}

优点： 线程安全，调用效率高，

缺点： 不能延时加载

5.五种实现单例模式的方式的对比

饿汉式：线程安全（不排除反射），调用效率高，不能延时加载
懒汉式：线程安全（不排除反射）,调用效率不高，可以延时加载
DCL懒汉式：由于JVM底层模型原因，偶尔出现问题，不建议使用
静态内部类式：线程安全（不排除反射），调用效率高，可以延时加载
枚举单例：线程安全，调用效率高，不能延时加载，避免反射带来的问题。

参考资料：单例模式的五种实现方式

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