1 基本介紹

單例模式（Singleton Pattern）是一種常用的軟件設計模式，其目的是 確保一個類僅有一個實例，并提供一個 靜態方法 來獲取該實例。

2 實現方式

單例模式圍繞著兩個特性展開：

• 延遲加載：在需要這個單例時才創建單例，避免浪費內存。
• 線程安全：在多線程環境下，保證多線程使用的單例是同一個單例。

共有以下六種實現方式：

2.1 餓漢式

2.1.1 代碼

餓漢式的實現在 Java 中有兩種實現，常用的是第一種。

方式一：給靜態常量賦初始值。

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

方式二：使用靜態代碼塊賦值。

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

2.1.2 特性

• 不延遲加載：在 類加載 時就創建單例。
• 線程安全：類加載由 JVM 保證線程安全，所以此時創建的單例也是線程安全的。

2.2 懶漢式 ( 線程不安全 )

2.2.1 代碼

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

2.2.2 特性

• 延遲加載：只有在 調用獲取單例的方法 getInstance() 時才創建單例。
• 線程不安全：如果有多個線程同時通過了 if (singleton == null) 這個條件，則它們會創建多個單例。

2.3 懶漢式 ( 線程安全 )

2.3.1 代碼

注意 getInstance() 方法前的 synchronized 修飾符。

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

2.3.2 特性

• 延遲加載：只有在 調用獲取單例的方法 getInstance() 時才創建單例。
• 線程安全：在多個線程同時獲取單例時，使用 synchronized 互斥鎖，來保證只有一個線程能夠生成單例，而其他線程等待這個線程創建的單例，保證了單例的線程安全。
• 成本太大：即使已經有單例了，每次調用 getInstance() 方法還得經過 加鎖 和 釋放鎖 的流程（因為使用了 synchronized 互斥鎖），降低了并發性能。

2.4 雙重檢查

2.4.1 代碼

注意單例前的 volatile 修飾符，它有兩個作用：保證變量對所有線程可見 和 防止指令重排。在此處起 防止指令重排 的作用：防止 JIT 即時編譯器對 instance = new Singleton(); 這行代碼進行重排序。

如果進行重排序，則可能先給 instance 分配內存（此時 instance != null），然后才調用構造器為 instance 的屬性賦值。在這兩步操作之間，要是有線程調用 getInstance() 方法，它將無法通過外層的 instance == null 條件，會返回一個不完整（賦值不完全）的對象。

public class Singleton {private static volatile Singleton instance; // 注意 volatile 在這里起 防止指令重排 的作用private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {instance = new Singleton();}}}return instance;}}

2.4.2 特性

• 延遲加載：只有在 調用獲取單例的方法 getInstance() 時才創建單例。
• 線程安全：在多個線程同時獲取單例 且 單例未創建時，如果都通過了外層的 instance == null 條件，則在內層使用 synchronized 互斥鎖，來保證只有一個線程創建單例，而其他線程等待這個線程創建的單例，保證了單例的線程安全。
• 成本小：這種實現方式只有最初創建單例時會加互斥鎖，之后就不需要創建單例了，直接返回即可，無需加鎖和釋放鎖，提高了并發性能。

2.5 靜態內部類

2.5.1 代碼

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

2.5.2 特性

• 延遲加載：只有在 調用獲取單例的方法 getInstance() 時，才會 觸發靜態內部類的加載，從而創建單例。
• 線程安全：靜態內部類也是類，類加載由 JVM 保證其線程安全，所以本單例是線程安全的。

2.6 枚舉

2.6.1 代碼

public enum Singleton {INSTANCE; // 直接使用 Singleton.INSTANCE 就可以獲取到單例// 可以隨意寫方法和屬性，就像在類中一樣
}

2.6.2 特性

• 不延遲加載：在 類加載 時就創建單例。
• 線程安全：類加載由 JVM 保證線程安全，所以此時創建的單例也是線程安全的。
• 防止 反射 或 反序列化 破壞單例：其他單例的實現都可以通過 反射 或 反序列化 的方式重新創建新的單例，唯獨本實現無法使用這兩種方式重新創建新的單例，這是因為 枚舉無法通過反射獲取對象，并且 枚舉在序列化和反序列化時不會調用構造器。所以這種實現是 最推薦的。

3 實現的要點

1. 構造器私有化。例如 private Singleton() {}。
2. 類中有一個 靜態 的單例屬性。
3. 提供一個 靜態 方法來獲取上述單例。

4 線程不安全的單例模式

4.1 代碼

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

4.2 評價

這樣的單例模式是 線程不安全 的，synchronized 互斥鎖沒有起到應有的作用。只要多個線程都能通過 instance == null 條件，則它們每個線程都會創建一次單例，synchronized 僅僅能保證同一時刻只有一個線程在創建單例罷了。

應該將 判斷 和 賦值 都放到 synchronized 互斥鎖里，就像單例的 第三種實現——懶漢式 ( 線程安全 ) 一樣。

5 JDK中的單例模式

在JDK中，Runtime 類使用了 餓漢式單例，代碼如下：

public class Runtime {private static final Runtime currentRuntime = new Runtime();public static Runtime getRuntime() {return currentRuntime;}private Runtime() {}// ...
}

6 單例模式的類圖及角色

6.1 類圖

其中，singleton 屬性和 Singleton() 構造器都是 私有的，而 getInstance() 方法是 公開的。此外，singleton 屬性和 getInstance() 方法都是 靜態的。

6.2 角色

在單例模式中，只有一個角色 Singleton，它負責 實現返回單例的 靜態 方法。

7 推薦的單例模式的實現

1. 餓漢式
2. 雙重檢查
3. 靜態內部類
4. 枚舉

8 單例模式的使用場景

• 創建對象耗時過多或耗費資源過多(重量級)，但經常用到。
• 頻繁訪問 數據庫 或 文件 的對象。
• 工具類對象。