【设计模式】创建型模式（三）：单例模式

《设计模式之创建型模式》系列，共包含以下文章：

• 创建型模式（一）：工厂模式
• 创建型模式（二）：抽象工厂模式
• 创建型模式（三）：单例模式
• 创建型模式（四）：建造者模式
• 创建型模式（五）：原型模式

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1.概念

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。

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一个全局访问点来访问该实例。需要注意的是：

• 单例类只能有一个实例。
• 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

单例模式包含以下几个主要角色：

• 单例类：包含单例实例的类，通常将构造函数声明为私有。
• 静态成员变量：用于存储单例实例的静态成员变量。
• 获取实例方法：静态方法，用于获取单例实例。
• 私有构造函数：防止外部直接实例化单例类。
• 线程安全处理：确保在多线程环境下单例实例的创建是安全的。

🚀 推荐博主的另外一篇文章：《在 Python 中如何实现单例模式》

2.案例

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的 私有构造函数 和本身的一个 静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

• 1️⃣ 创建一个 Singleton 类：SingleObject.java

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!");
   }
}

• 2️⃣ 从单例类获取唯一的对象：SingletonPatternDemo.java

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();
   }
}

• 执行程序，输出结果。

Hello World!

3.实现方式

单例模式的实现有多种方式。

3.1 懒汉式，线程不安全

• 是否 Lazy 初始化：是
• 是否多线程安全：否
• 实现难度：易

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;  
    }  
}

3.2 懒汉式，线程安全

• 是否 Lazy 初始化：是
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：易
• 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。

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。getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

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

3.3 饿汉式

• 是否 Lazy 初始化：否
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：易
• 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。

这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。

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

3.4 双检锁/双重校验锁（DCL，Double-Checked Locking）

• JDK 版本：JDK 1.5 起
• 是否 Lazy 初始化：是
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：较复杂

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。getInstance() 的性能对应用程序很关键。

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;  
    }  
}

✨ 为什么使用 volatile 关键字修饰了 singleton 实例变量 ？

singleton = new Singleton(); 这段代码执行时分为三步：

• 1️⃣ 为 singleton 分配内存空间
• 2️⃣ 初始化 singleton
• 3️⃣ 将 singleton 指向分配的内存地址

正常的执行顺序当然是 1、2、3 ，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。单线程环境时，指令重排并没有什么问题；多线程环境时，会导致有些线程可能会获取到还没初始化的实例。例如：线程 A 只执行了 1 和 3 ，此时线程 B 来调用 getSingleton()，发现 singleton 不为空，便获取 singleton 实例，但是其实此时的 singleton 还没有初始化。

解决办法就是加一个 volatile 关键字修饰 singleton，volatile 会禁止 JVM 的指令重排，就可以保证多线程环境下的安全运行。

3.5 登记式/静态内部类

• 是否 Lazy 初始化：是
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：一般

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，它跟第 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 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，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

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

3.6 枚举

• JDK 版本：JDK 1.5 起
• 是否 Lazy 初始化：否
• 是否多线程安全：是
• 实现难度：易

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 JDK 1.5 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() {  
    }  
}

🚀 小结

• 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。