设计模式之单例

单例可以说是设计模式中最简单的一种模式。但任何一种设计模式都是普遍经验的总结，都有值得思考的地方。所以单例也并不简单，下面让我们慢慢了解它。

        单例顾名思义这个类只有一个实例。要做到这点，需要做到以下几点：

        （1）构造器私有化

        （2）实例只在类内部创建，并且只会创建一次

        （3）提供静态方法以供外部获取单例对象

        单例有很多种实现方式：

        先介绍两种最简单的：懒汉式和饿汉式

（一）懒汉式：顾名思义，这个单例很懒，懒者做事就慢。所以单例对象是等要用的时候再进行实例化的。下面是一个简单的例子

public final class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {

    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (Objects.isNull(instance)) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

（二）饿汉式：我们经常听到老一辈说别人吃饭很急，就会说“像个饿死鬼投胎一样”，所以饿汉表现就比懒汉显得急迫，在类加载时就开始实例化。

public final class Singleton {
    private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getSingleton() {
        return SINGLETON;
    }
}

        那么这两种有什么区别呢？

        我们应该注意到，单例因为在程序中只有一个实例，所以是线程共享的。那么肯定是在多线程环境下。而懒汉模式是线程不安全的，想象一下多个线程同时在单例还没实例化时进入，那么Objects.isNull(instance)判断为true，从而都会创建实例然后返回，那么有可能返回的是不同的单例。所以懒汉模式几乎不会使用，以此就衍生了线程安全的懒汉模式（这个稍后再介绍）

        而饿汉模式虽然因为类加载只会发生一次，而保证了线程安全。但可能会造成内存浪费。比如单例中可能定义了一个常量，而常量在业务场景中可能先于获取单例使用，那么在常量使用时就会进行单例实例化，如下面代码所示：

public final class Singleton {
    private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();
    public static final String SINGLETON_CONTENT = "singleton content";

    private Singleton() {
        System.out.println("Singleton intance");
    }

    public static Singleton getSingleton() {
        return SINGLETON;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Singleton.SINGLETON_CONTENT);
    }
}

（三）线程安全的懒汉式

        想要线程安全，我们首先想到的就是加synchronized锁，保证它的线程安全。于是就有了下面的实现

public final class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {

    }

    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (Objects.isNull(instance)) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

        但这种方式虽然线程安全了，但它的锁是方法级的。意味着每次获取实例就会加锁，性能却成了问题。于是又再次进化，有了双重校验锁的方式，可以实现高性能且安全的单例模式。

（四）双重校验锁

        上面已经说道双重校验锁是进化版的线程安全且高性能的懒汉模式。所以它也是需要用到的时候再实例化，但它是线程安全的。那么它是怎么做到的呢?我们直接上代码：

public final class Singleton {
    private static volatile Singleton instance;

    private Singleton() {
        System.out.println("Singleton intance");
    }

    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次校验
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                // 第二次校验
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

        如上代码所示，所谓双重检验锁，就是以两次校验+synchronized加锁方式实现的。第一次校验是基于性能考虑，避免每次都进行加锁，因为只有还没实例化时这个短暂且特殊的场景是需要加锁的，大部分时候都是直接返回实例就行。而第二次校验则是保证实例只会创建一次。

         另外这里有个关键点，instance单例缓存是加了volatile关键字。这是用到了volatile中的其中一个特性--禁止指令重排，想了解更多关于volatile关键字，可以参看我的另一篇《浅谈volatile》

        因为实例的创建实际会分为三个步骤

        （1）分配内存

        （2）初始化对象

        （3）将对象指向刚分配的内存空间

        如果实例是按这个顺序执行，那么不加volatile，范围的单例也是完成初始化的实力，并无影响。但因为编译器优化，可能会把因为初始化放到最后，提前先将对象指向刚分配的内存空间。那么在单例还没初始化完成时，其他线程进入获取单例时，引用对象就不是空，而提前获取到还没初始化完成的单例引用，就可能会导致后面的业务逻辑出错。

（五）静态内部类

public final class Singleton {
    private Singleton() {
        System.out.println("Singleton intance");
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }

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

}

静态内部类也是懒加载的模式，但它的实现更优雅，是我比较推荐的方式。它利用静态内部类可以访问外部类私有构造器的特性，将单例的实例化延迟到静态内部类类加载时，保证了单例的线程安全。而这个静态内部类只会在获取单例的时候加载，所以也是懒加载。

（六）枚举方式

public enum Singleton {
    INSTANCE;

    Singleton() {
        // 初始化
    }
}

        枚举方式实现也很简单，但却最安全，因为它是反序列化。这个是前面的方式做到的。

        上面介绍了六种单例实现方式。除了第一和第三种的懒汉式不推荐使用外，其他可以根据实际需要选择。比如通常单例比较简单，那么通常饿汉模式就可以满足。需要延迟加载，那么双重校验锁、静态内部类、枚举类都可以。如果涉及到序列化，那么枚举就是唯一选择了。