Singleton pattern of seven kinds of writing, you know?

大家好,我是三乙己.考上大家一考："单例模式的单例,怎样写的？"

"不就是构造方法私有化么？"

”对呀对呀！……单例模式有七种写法,你知道么？“

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言归正传……

单例模式（Singleton Pattern）可以说是最简单的设计模式了.

用一个成语来形容单例模式——“天无二日,国无二主”.

什么意思呢？就是当前进程确保一个类全局只有一个实例.

那单例模式有什么好处呢？[1]

• 单例模式在内存中只有一个实例,减少了内存开支
• 单例模式只生成一个实例,所以减少了系统的性能开销
• 单例模式可以避免对资源的多重占用
• 单例模式可以在系统设置全局的访问点

那单例模式是银弹吗？它有没有什么缺点？

• 单例模式一般没有接口,扩展很困难
• 单例模式不利于测试
• 单例模式与单一职责原则有冲突

那什么情况下要用单例模式呢？

• 要求生成唯一序列号的环境
• 在整个项目中需要一个共享访问点或共享数据
• 创建一个对象需要消耗的资源过多
• 需要定义大量的静态常量和静态方法（如工具类）的环境

接下来,进入今天的主题,我们来看看单例模式的七种写法！

1、饿汉式（线程安全）

public class Singleton_1 {

    private static Singleton_1 instance=new Singleton_1();

    private Singleton_1() {
    }

    public static Singleton_1 getInstance() {
        return instance;
    }

}
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饿汉式,就像它的名字,饥不择食,定义的时候直接初始化.

因为instance是个静态变量,所以它会在类加载的时候完成实例化,不存在线程安全的问题.

这种方式不是懒加载,不管我们的程序会不会用到,它都会在程序启动之初进行初始化.

所以我们就有了下一种方式

2、懒汉式（线程不安全）

public class Singleton_2 {

    private static Singleton_2 instance;

    private Singleton_2() {
    }

    public static Singleton_2 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton_2();
        }
        return instance;
    }

}
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懒汉式 是什么呢？只有用到的时候才会加载,这就实现了我们心心念的懒加载.

但是！

它又引入了新的问题？什么问题呢？线程安全问题.

图片也很清楚,多线程的情况下,可能存在这样的问题：

一个线程判断instance==null,开始初始化对象;

还没来得及初始化对象时候,另一个线程访问,判断instance==null,也创建对象.

最后的结果,就是实例化了两个Singleton对象.

这不符合我们单例的要求啊？怎么办呢？

3、懒汉式（加锁）

public class Singleton_3 {

    private static Singleton_3 instance;

    private Singleton_3() {
    }

    public synchronized static Singleton_3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton_3();
        }
        return instance;
    }
}
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最直接的办法,直接上锁呗！

但是这种把锁直接方法上的办法,所有的访问都需要获取锁,导致了资源的浪费.

那怎么办呢？

4、懒汉式（双重校验锁）

public class Singleton_4 {
    //volatile修饰,防止指令重排
    private static volatile Singleton_4 instance;

    private Singleton_4() {
    }

    public static Singleton_4 getInstance() {
        //第一重校验,检查实例是否存在
        if (instance == null) {
            //同步块
            synchronized (Singleton_4.class) {
                //第二重校验,检查实例是否存在,如果不存在才真正创建实例
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton_4();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}
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这是比较推荐的一种,双重校验锁.

它的进步在哪里呢？

我们把synchronized加在了方法的内部,一般的访问是不加锁的,只有在instance==null的时候才加锁.

同时我们来看一下一些关键问题.

• 首先我们看第一个问题,为什么要双重校验？

大家想一下,如果不双重校验.

如果两个线程一起调用getInstance方法,并且都通过了第一次的判断instance==null,那么第一个线程获取了锁,然后实例化了instance,然后释放了锁,然后第二个线程得到了线程,然后马上也实例化了instance.这就不符合我们的单例要求了.

接着我们来看第二个问题,为什么要用volatile 修饰 instance？

我们可能知道答案是防止指令重排.

那这个重排指的是哪？指的是instance = new Singleton(),我们感觉是一步操作的实例化对象,实际上对于JVM指令,是分为三步的：

1. 分配内存空间
2. 初始化对象
3. 将对象指向刚分配的内存空间

有些编译器为为了性能优化,可能会把第二步和第三步进行重排序,顺序就成了：

1. 分配内存空间
2. 将对象指向刚分配的内存空间
3. 初始化对象

所以呢,如果不使用volatile防止指令重排可能会发生什么情况呢？

在这种情况下,T7时刻线程B对instance的访问,访问的是一个初始化未完成的对象.

所以需要在instance前加入关键字volatile.

• 使用了volatile关键字后,可以保证有序性,指令重排序被禁止;
• volatile还可以保证可见性,Java内存模型会确保所有线程看到的变量值是一致的.

5、单例模式（静态内部类）

public class Singleton_5 {

    private Singleton_5() {
    }

    private static class InnerSingleton {
        private static final Singleton_5 instance = new Singleton_5();
    }

    public static Singleton_5 getInstance() {
        return InnerSingleton.instance;
    }
}
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静态内部类是更进一步的写法,不仅能实现懒加载、线程安全,而且JVM还保持了指令优化的能力.

Singleton类被装载时并不会立即实例化,而是在需要实例化时,调用getInstance方法,才会加载静态内部类InnerSingleton类,从而完成Singleton的实例化.

类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,同时类加载的过程又是线程互斥的,JVM帮助我们保证了线程安全.

6、单例模式（CAS）

public class Singleton_6 {

    private static final AtomicReference<Singleton_6> INSTANCE = new AtomicReference<Singleton_6>();

    private Singleton_6() {
    }

    public static final Singleton_6 getInstance() {
        //等待
        while (true) {
            Singleton_6 instance = INSTANCE.get();
            if (null == instance) {
                INSTANCE.compareAndSet(null, new Singleton_6());
            }
            return INSTANCE.get();
        }
    }
}
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这种CAS式的单例模式算是懒汉式直接加锁的一个变种,sychronized是一种悲观锁,而CAS是乐观锁,相比较,更轻量级.

当然,这种写法也比较罕见,CAS存在忙等的问题,可能会造成CPU资源的浪费.

7、单例模式（枚举）

public enum Singleton_7 {

    //定义一个枚举,代表了Singleton的一个实例
    INSTANCE;
    public void anyMethod(){
        System.out.println("do any thing");
    }
}
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调用方式：

    @Test
    void anyMethod() {
        Singleton_7.INSTANCE.anyMethod();
    }
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《Effective Java》作者推荐的一种方式,非常简练.

但是这种写法解决了最主要的问题：线程安全、⾃由串⾏化、单⼀实例.

总结

从使用的角度来讲,如果不需要懒加载的话,直接饿汉式就行了;如果需要懒加载,可以考虑静态内部类,或者尝试一下枚举的方式.

从面试的角度,懒汉式、饿汉式、双重校验锁饿汉式,这三种是重点.双重校验锁方式一定要知道指令重排是在哪,会导致什么问题.