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。

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。

实现

实现一个单例模式总共有三个步骤:

构造器私有化
自行对外提供实例
提供外界可以获取得该实例的方法

懒汉式,线程不安全

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。这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

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

懒汉式，线程安全

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,每次调用getInstance()方法的时候,都会有加锁和解锁的操作,同时synchronized锁是添加在方法上的,锁的范围过大,而单例类是全局唯一的,锁的操作会成为系统的瓶颈

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

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。

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 SingleObject {
   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //不合法的构造函数
      //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();
 
      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

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。都是会发生指令重排问题,在多线程情况下使用查程序出错。

所谓指令重排是指JVM为了优化指令,提高程序运行效率,在不影响单线程执行结果的前提下,尽可能地提高并发行度。 singleton = new Singleton(); 看似原子操作,其实不然,实际上可以抽象为下面几条JVM指令

1. 分配对象的内存空间
memory = allocate();
2. 初始化对象
ctorInstance(memory)
3. 设置instance指向刚分配的内存地址
singleton = memory
上面的2操作依赖于操作1,都是操作3不依赖与操作2,所以JVM是可以针对它们进行指令的优化重新排序的,经过重新排序如下:
1. 分配对象的内存地址
memory = allocate();
3. instance指向刚分配的内存地址,此时对象还未初始化
singleton = memory;
2. 初始化对象
ctroInstance(memory);

总结:指令重排之后,singleton指向分配好的内存放在了前面,而这段内存的初始化被排在了后面,在线程A执行这段赋值语句,在初始化分配对象之前就已经将其赋值给了singleton应用,恰好B线程进入方法判断singleton引用不为null,然后就将其返回使用,导致程序出现空指针

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，它跟饿汉式方式不同的是：饿汉式只要 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，这种方式相比饿汉式就显得很合理。

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

枚举

这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

public enum Singleton {  
    INSTANCE;  
    public void whateverMethod() {  
    }  
}

总结:一般情况下，不建议使用第 1 种和第 2 种懒汉方式，建议使用第 3 种饿汉方式。只有在要明确实现 lazy loading 效果时，才会使用第 5 种登记方式。如果涉及到反序列化创建对象时，可以尝试使用第 6 种枚举方式。如果有其他特殊的需求，可以考虑使用第 4 种双检锁方式。