单例模式

单例（Singleton）

Intent

确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点。

Class Diagram

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个共有静态函数来实现。

私有构造函数保证了不能通过构造函数来创建对象实例，只能通过公有静态函数返回唯一分私有静态变量。

 

 Implementation

1.懒汉式 - 线程不安全

以下实现中，私有静态变量uniqueInstance被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入if (uniqueInstance == null)，并且此时if 判断为真，那么会有多个线程执行uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致实例化多次。

public class Singleton {

    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            uniqueInstance = new Singleton();
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

 2.饿汉式 - 线程安全

线程不安全问题主要是由于 unique Instance被实例化多次，采取直接实例化 uniqueInstance的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

 3.懒汉式 - 线程安全

只需要对 getUniqueInstance（）方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了多次实例化。

但是当一个线程进入该方法后，其他试图进入该方法的线程都必须等待，即使uniqueInstance已经被实例化了。这会让线程阻塞时间过长，因此该方法有性能问题，不推荐使用。

public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {
    if (uniqueInstance == null) {
        uniqueInstance = new Singleton();
    }
    return uniqueInstance;
}

4.双重校验锁 - 线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

public class Singleton {

    private volatile static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getUniqueInstance() {
        if (uniqueInstance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (uniqueInstance == null) {
                    uniqueInstance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return uniqueInstance;
    }
}

考虑下面的实现，也就是只使用一个if语句。在uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程都执行了if 语句，那么两个线程都会进入if语句块内。虽然在if 语句块内有加锁操作，但是只是先后问题，依旧会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要两个if 语句

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

uniqueInstance 采用 volatile 关键词修饰也是必要的，uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

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

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。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getUniqueInstance() 后发现 uniqueInstance 不为空，因此返回 uniqueInstance，但此时 uniqueInstance 还未被初始化。

使用 volatile 可以禁止JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

5.静态内部类实现

当Singleton 类被加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE为实例，并且JVM能确保INSTANCE只被实例化一次。

这种方法不仅具有延迟初始化的好处，而且由JVM 提供对线程安全的支持。

public class Singleton {

    private Singleton() {
    }

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

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

6.枚举实现

public enum Singleton {

    INSTANCE;

    private String objName;


    public String getObjName() {
        return objName;
    }


    public void setObjName(String objName) {
        this.objName = objName;
    }


    public static void main(String[] args) {

        // 单例测试
        Singleton firstSingleton = Singleton.INSTANCE;
        firstSingleton.setObjName("firstName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        Singleton secondSingleton = Singleton.INSTANCE;
        secondSingleton.setObjName("secondName");
        System.out.println(firstSingleton.getObjName());
        System.out.println(secondSingleton.getObjName());

        // 反射获取实例测试
        try {
            Singleton[] enumConstants = Singleton.class.getEnumConstants();
            for (Singleton enumConstant : enumConstants) {
                System.out.println(enumConstant.getObjName());
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

firstName
secondName
secondName
secondName

该实现可以防止反射攻击。在其他实现中，通过setAccessible() 方法可以将私有构造函数级别设置为public，然后调用构造函数从而实例化对象，如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止多次实例化的代码。该实现是由 JVM 保证只会实例化一次，因此不会出现上述的反射攻击。

该实现在多次序列化和序列化之后，不会得到多个实例。而其他实现需要使用transient 修饰所有字段，并且实现序列化和反序列化的方法。

Examples

• Logger Classes
• Configuration Classes
• Accesing resources in shared mode
• Factories implemented as Singletons