Java 单例模式的五种写法

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单例模式作为对象的一种创建模式，它的作用是确保某一个类在整个系统中只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

由此可见，单例模式具有以下的特点：

  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的实例。
  3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

由于Java语言的特点，使得单例模式在Java语言的实现上有自己的特点。这些特点主要表现在单例类如何将自己实例化。

饿汉式单例类

饿汉式单例类是在Java语言里实现起来最为简便的单例类。其源代码如下：

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public class EagerSingleton {
	/** 通过静态变量初始化的类实例 */
	private static final EagerSingleton instance = new EagerSingleton();
	/**
	 * 私有的默认构造
	 */
	private EagerSingleton() {
	}
	/**
	 * 获取唯一类实例的静态工厂方法
	 * 
	 * @return
	 */
	public static EagerSingleton getInstance() {
		return instance;
	}
}

由Java语言类的初始化顺序可知，在这个类被加载时，静态变量会被初始化，此时类的私有构造会被调用。这时候，单例类的唯一实例就被创建出来了。

Java语言中单例类的一个最重要的特点是类的构造是私有的，从而避免外界使用构造子直接创建出任意多该类的实例。值得指出的是，由于构造是私有的，因此该类不能被继承。

懒汉式单例类

与饿汉式单例类相同之处是，懒汉式单例类的构造也是私有的。而与饿汉式单例类不同的是，懒汉式单例类在第一次被引用时将自己实例化。在懒汉式单例类被加载时，不会将自己实例化。其源代码如下所示：

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public class LazySingleton {
	/**
	 * 此时静态变量不能声明为final，因为需要在工厂方法中对它进行实例化
	 */
	private static volatile LazySingleton instance;
	/**
	 * 私有构造，确保无法在类外实例化该类
	 */
	private LazySingleton() {
	}
	/**
	 * synchronized关键字解决多个线程的同步问题
	 */
	public static synchronized LazySingleton getInstance() {
		if (instance == null) {
			instance = new LazySingleton();
		}
		return instance;
	}
}

对singleton对象使用volatile关键字进行限制，保证其对所有线程的可见性，并且禁止对其进行指令重排序优化; 静态工厂方法中synchronized关键字提供的同步是必须的，否则当多个线程同时访问该方法时，无法确保获得的总是同一个实例。然而我们也看到，在所有的代码路径中，虽然只有第一次引用的时候需要对instance变量进行实例化，但是synchronized同步机制要求所有的代码执行路径都必须先获取类锁。在并发访问比较低时，效果并不显著，但是当并发访问量上升时，这里有可能会成为并发访问的瓶颈。

双重检查锁

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

这种写法被称为“双重检查锁”，顾名思义，就是在getSingleton()方法中，进行两次null检查。看似多此一举，但实际上却极大提升了并发度，进而提升了性能。为什么可以提高并发度呢？就像上文说的，在单例中new的情况非常少，绝大多数都是可以并行的读操作。因此在加锁前多进行一次null检查就可以减少绝大多数的加锁操作，执行效率提高的目的也就达到了。

坑: volatile这个关键字。其实这个关键字有两层语义。第一层语义就是可见性。可见性指的是在一个线程中对该变量的修改会马上由工作内存（Work Memory）写回主内存（Main Memory），所以会马上反应在其它线程的读取操作中.volatile的第二层语义是禁止指令重排序优化。我们写的代码（尤其是多线程代码），由于编译器优化，在实际执行的时候可能与我们编写的顺序不同。编译器只保证程序执行结果与源代码相同，却不保证实际指令的顺序与源代码相同,引入多线程这种乱序就可能导致严重问题.

禁止指令重排优化这条语义直到jdk1.5以后才能正确工作。此前的JDK中即使将变量声明为volatile也无法完全避免重排序所导致的问题。所以，在jdk1.5版本前，双重检查锁形式的单例模式是无法保证线程安全的。

静态内部内

这种单例模式的写法，是著名的《Java Concurrency in Practice》一书中介绍对象的安全发布时介绍的。我们先来看它的源代码。

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public class ResourceFactory {
	private static class ResourceHolder {
		public static Resource resource = new Resource();
	}
	public static Resource getResource() {
		return ResourceHolder.resource;
	}
}

要理解上面这种单例类的写法，你需要先学习一些关于Java虚拟机如何初始化一个类的知识。

在java虚拟机中，类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括了：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）七个阶段。其中，验证、准备和解析三个部分统称为连接（Linking）。

加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也被称为动态绑定或晚期绑定）。

什么情况下需要开始类加载的第一个阶段：加载。虚拟机规范中并没有进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是对于初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有四种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

1）遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这四条字节码指令最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。

2）使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

3）当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。

4）当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main（）方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。

这四种场景中的行为称为对一个类进行主动引用，除此之外所有引用类的方式，都不会触发类的初始化，被称为被动引用。以下是三个例子：

1）通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化。

2）通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。

3）常量在编译阶段会存入调用类的常量池，本质上没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化。

（以上摘自《深入理解Java虚拟机》）

从上面介绍的知识可以知道，JVM将推迟ResourceHolder类的初始化，直到第一个代码访问路径调用getResource()方法。此时，由于ResourceHolder.resource是一个读取静态字段的主动引用，虚拟机将第一次加载ResourceHolder类，并且通过一个静态变量来初始化Resource实例。而其他访问getResource()方法的代码路径，并不需要同步。

不需要额外的同步，但是又能确保对象可见性的正确发布，这是由Java的虚拟机规范所决定的！上面这种单例模式的写法，体现出对虚拟机规范的深刻理解，实在是专家级别的写法。

注意:上面提到的所有实现方式都有两个共同的缺点：

  • 都需要额外的工作(Serializable、transient、readResolve())来实现序列化，否则每次反序列化一个序列化的对象实例时都会创建一个新的实例。
  • 可能会有人使用反射强行调用我们的私有构造器（如果要避免这种情况，可以修改构造器，让它在创建第二个实例的时候抛异常）。

枚举写法(推荐)

只能包含单个元素的枚举类型

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public enum Singleton {
    INSTANCE; //定义一个枚举的元素，就代表Singleton的一个实例
    private String name;
    public String getName(){
        return name;
    }
    public void setName(String name){
        this.name = name;
    }
}

使用枚举除了线程安全和防止反射强行调用构造器之外，还提供了自动序列化机制，防止反序列化的时候创建新的对象。因此，Effective Java推荐尽可能地使用枚举来实现单例。

调用方式：Singleton.INSTANCE.getName();

最后，不管采取何种方案，请时刻牢记单例的三大要点：

  • 线程安全
  • 延迟加载
  • 序列化与反序列化安全

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