单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。

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。

注意：

1、单例类只能有一个实例。

2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。

3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

何时使用：当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

优点： 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。

2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

缺点：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

单例模式的应用场景：

1.在应用场景中，某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。

2.当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。

3.当某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。

实现：

1.懒汉式，线程不安全

/**
*
* @ClassName: Singleton
* @Description: 懒汉式单例（在第一次调用的时候实例化自己）
* 这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
* @author: ljx
* @date: 2018年12月25日 下午3:15:34
*/
public class Singleton {
//构造函数私有化
private Singleton(){}
private static Singleton singleton = null;
//构建实例化方法
public static Singleton getSingleton(){
if(singleton == null){
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
}

2.懒汉式，线程安全

/**
*
* @ClassName: Singleton
* @Description: 懒汉式单例（在第一次调用的时候实例化自己）
* 这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
* 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。
* @author: ljx
* @date: 2018年12月25日 下午3:15:34
*/
public class Singleton {
//构造函数私有化
private Singleton(){}
private static Singleton singleton = null;
//构建实例化方法
public static synchronized Singleton getSingleton(){
if(singleton == null){
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
}

3.饿汉式

/**
*
* @ClassName: Singleton2
* @Description: 饿汉式
* 这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
* 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。
* @author: ljx
* @date: 2018年12月25日 下午3:30:39
*/
class Singleton2 {
//私有构造函数
private Singleton2(){};
private static Singleton2 singleton2= new Singleton2();
public static Singleton2 getSingleton2(){
return singleton2;
}
}

4.双检锁/双重校验锁

/**
*
* @ClassName: Singleton3
* @Description: 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。
* @author: ljx
* @date: 2018年12月25日 下午3:44:16
*/
class Singleton3{
//私有构造函数
private Singleton3(){}
private static Singleton3 singleton3 = null;
public static Singleton3 getSingleton3(){
//先检查实例是否存在，如果不存在才进入下面的同步块
if(singleton3 == null){
//同步块，线程安全的创建实例
synchronized (Singleton3.class) {
//再次检查实例是否存在，如果不存在才真正的创建实例
if(singleton3 == null){
singleton3 = new Singleton3();
}
}
}
return singleton3;
}
}

5.静态(类级)内部类

/**
*
* @ClassName: Singleton4
* @Description: 静态(类级)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。
* @author: ljx
* @date: 2018年12月25日 下午4:05:11
*/
class Singleton4{
private Singleton4(){};
/**
*
* @ClassName: Singleton4Holder
* @Description: 类级内部类，也就是静态的成员式内部类，该内部类的实例与外部类的实例
* 没有绑定关系，而且只有被调用到时才会装载，从而实现了延迟加载。
* @author: ljx
* @date: 2018年12月25日 下午4:04:03
*/
private static class Singleton4Holder{
//静态初始化器，由JVM来保证线程安全
private static Singleton4 singleton4 = new Singleton4();
}
public static Singleton4 getSingleton4(){
return Singleton4Holder.singleton4;
}
}

6.单例和枚举

/**
*
* @ClassName: Singleton5
* @Description: 枚举单例模式
* @author: ljx
* @date: 2018年12月25日 下午4:16:09
*/
enum Singleton5{
SINGLETON5;
}

是不是非常简单，非常简洁，而且无偿地提供了序列化机制，并由JVM从根本上提供保障，绝对防止多次实例化，是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。

enum有且仅有private的构造器，防止外部的额外构造，这恰好和单例模式吻合，也为保证单例性做了一个铺垫。

想要了解enum是如何工作的，就要对其进行反编译。

反编译后就会发现，使用枚举其实和使用静态类内部加载方法原理类似。枚举会被编译成如下形式：

public final class Singleton5 extends Enum{
//私有构造方法，这里调用了父类的构造方法，其中参数s对应了常量名，参数i代表枚举的一个顺序(这个顺
序与枚举的声明顺序对应，用于oridinal()方法返回顺序值)
private Singleton5()
{
super();
}
//定义的枚举在这里声明了SINGLETON5 Singleton5的常量对象引用
public static final Singleton5 $VALUES;
//将所有枚举的实例存放在数组中
private static final Singleton5 $VALUES[];
//对象的实例化在static静态块中
static
{
SINGLETON5 = new Singleton5("SINGLETON5", 0);
//将所有枚举的实例存放在数组中
$VALUES = (new Singleton5[] {
SINGLETON5
});
}
}

其中，Enum是Java提供给编译器的一个用于继承的类。枚举量的实现其实是public static final T 类型的未初始化变量，之后，会在静态代码中对枚举量进行初始化。所以，如果用枚举去实现一个单例，这样的加载时间其实有点类似于饿汉模式，并没有起到lazy-loading的作用。

对于序列化和反序列化，因为每一个枚举类型和枚举变量在JVM中都是唯一的，即Java在序列化和反序列化枚举时做了特殊的规定，枚举的writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法是被编译器禁用的，因此也不存在实现序列化接口后调用readObject会破坏单例的问题。

测试：

/**
*
* @ClassName: Singleton5
* @Description: 枚举单例模式
* @author: ljx
* @date: 2018年12月25日 下午4:16:09
*/
enum Singleton5{
SINGLETON5;//定义枚举类型
private String name;
public void setName(String name){
this.name = name;
}
public String getName(){
return name;
}
}
class Test{
public static void main(String[] args) {
Singleton5 singleton1 = Singleton5.SINGLETON5;//枚举类型实例化（静态块中）
singleton1.setName("单例1");
System.out.println(singleton1.getName());
Singleton5 singleton2 = Singleton5.SINGLETON5;
singleton2.setName("单例2");
System.out.println(singleton2.getName());
System.out.println(singleton1.getName() + ":" + singleton2.getName());
}
}

结果：

单例1

单例2

单例2:单例2

评论区说了加volatile关键字防止指令重排，了解了一下：

指令重排：简单来说，就是计算机为了提高执行效率，会做的一些优化，在不影响最终结果的情况下，可能会对一些语句的执行顺序进行调整。

我们来看双检锁/双重校验锁的问题，主要在于singleton = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情。
　　1. 给 singleton 分配内存
　　2. 调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量，形成实例
　　3. 将singleton对象指向分配的内存空间（执行完这步 singleton才是非 null了）

这在JVM的即时编译器中存在指令重排序的优化。

也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

再稍微解释一下，就是说，由于有一个（instance已经不为null但是仍没有完成初始化）的中间状态，而这个时候，如果有其他线程刚好运行到第一层if (instance ==null)这里，这里读取到的instance已经不为null了，所以就直接把这个中间状态的instance拿去用了，就会产生问题。这里的关键在于线程T1对instance的写操作没有完成，线程T2就执行了读操作。

对于双检锁/双重校验锁出现的问题，解决方案为：给instance的声明加上volatile关键字

private static volatile Singleton singleton = null;

           volatile可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令，lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

I. 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内

存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；

II. 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；

III. 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

被volatile关键字修饰的变量，如果值发生了变更，其他线程立马可见，避免出现脏读的现象。把instance声明为volatile之后，对它的写操作就会有一个内存屏障，这样，在它的赋值完成之前，就不用会调用读操作。

注意：volatile阻止的不是singleton = new Singleton()这句话内部[1-2-3]的指令重排，而是保证了在一个写操作（[1-2-3]）完成之前，不会调用读操作（if (instance == null)）。

......，欢迎指正！

最后

以上就是风趣小猫咪为你收集整理的单例模式的全部内容，希望文章能够帮你解决单例模式所遇到的程序开发问题。

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