面试必备之单例设计模式详解

概念：单例设计模式是一种常用的软件设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问该实例。

作用：单例模式能够有效地控制对象的创建和资源的利用，提高程序的性能，并且在多线程环境下也能保证只有一个实例被创建。

先来看看单例模式的基本写法如下：

public class Singleton {

  
   private static Singleton instance = new Singleton();

   
   private Singleton() {}

   
   public static Singleton getInstance() {
      return instance;
   }
   public void say() {
      System.out.println("Hello World!");
   }
}

如何使用：

Singleton sl = Singleton.getInstance();
sl.say();

让我们来看下Singleton类的特征：

1.Singleton类的构造方法是私有的，这样可以保证只能在Singleton类内部才能创建对象，而无法在类外部创建Singleton对象。

2.Singleton类中有一个instance成员属性，它用来持有这个Singleton对象。

3.Singleton类提供了一个静态方法getInstance，它可以让我们在任何可以访问到Singleton类的地方，都可以使用Singleton.getInstance()来获取到这个Singleton对象。

好了，基本上简单的单例模式就是这样的了，接下来让我们看看单例的其他实现方式。

1.饿汉式

基本写法中，对象的创建是直接写在Singleton类的成员属性上的，因此当Singleton类被加载时，就会立即创建Singleton对象，这个写法比较简单，但我们可能并不会马上使用到这个Singleton对象，过早的创建会造成内存资源浪费。

这种一加载类就急于创建对象的写法，我们称之为饿汉式。

饿汉式的两种写法如下：

1).（静态常量）【可用】

代码示例如下：

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

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

2).（静态代码块）【可用】

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

这种方式和上面的方式其实类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候，就执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面是一样的。

2.懒汉式(线程不安全)【不可用】

代码示例如下

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

这种写法起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

1).懒汉式(线程安全，同步方法)【不推荐使用】

?代码示例如下

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;
    private Singleton(){}
    public static synchronized Singleton getInstance(){

      if(singleton == null){
        singleton = new Singleton();
      }
      return singleton;
    }
}

解决上面实现方式的线程不安全问题，做个线程同步就可以了，于是就对getInstance()方法进行了线程同步。

缺点：效率太低了，每个线程在想获得类的实例时候，执行getInstance()方法都要进行同步。而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了，后面的想获得该类实例，直接return就行了。方法进行同步效率太低要改进。

2).懒汉式(线程安全，同步代码块)【不可用】

代码示例如下

public class Singleton {
    private static Singleton singleton;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){

      if(singleton == null){
        synchronized(Singleton.class){
        singleton = new Singleton();
      }
    }
    return singleton;
  }
}

由于同步方法实现方式同步效率太低，所以摒弃同步方法，改为同步产生实例化的的代码块。但是这种同步并不能起到线程同步的作用。跟第3种实现方式遇到的情形一致，假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。

3.双检锁/双重校验锁【推荐使用】

懒汉式(线程安全)已经可以达到节省资源的目的，也达到了线程安全的目的，但是使用synchronized加锁对性能有较大影响，双检锁的方式，则是把锁的粒度尽可能降低，减少加锁对性能的影响。

示例代码

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance;
    private Singleton () {}
    public static Singleton getSingleton() {
      if (instance == null) {
          synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Singleton();
            }
          }
      }
      return singleton;
    }
}

分析双检锁的写法：

1.在成员属性instance上，我们增加了volatile关键字，保障多线程对instance值的可见性以及禁止指令重排。

2.通过双重检查的方式，在内部再进行synchronized加锁，可以降低锁的粒度，有效避免每次调用getInstance都加锁，因为getInstance在创建对象之后，instance一直都是非null的。

双检锁这个方式，既可以保障不浪费资源，又可以保障在多线程的环境下保持高性能。

4.静态内部类【推荐使用】

代码示例如下

public class Singleton {

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

    private Singleton () {}

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

分析一下静态内部类的特点：

将instance放在了内部类SingletonHolder中，前面我们提到饿汉式是类加载时就会立即创建对象，而静态内部类不会，它只会在调用了getInstance时，才会加载内部类SingletonHolder，此时才会创建对象。

5.枚举【推荐使用】

代码示例如下

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

  }
}

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。

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