Java单例模式（懒汉式、饿汉式、双检锁、静态内部类、枚举）

小灰灰 2022-01-26 08:51 235阅读 0赞

Java中单例(Singleton)模式是一种广泛使用的设计模式。单例模式的主要作用是保证在Java程序中，某个类只有一个实例存在。

一些管理器和控制器常被设计成单例模式。

单例模式好处:

> 1.  `它能够避免实例对象的重复创建，不仅可以减少每次创建对象的时间开销，还可以节约内存空间；`
> 2.  `能够避免由于操作多个实例导致的逻辑错误。`
> 3.  `如果一个对象有可能贯穿整个应用程序，而且起到了全局统一管理控制的作用，那么单例模式也许是一个值得考虑的选择。`

单例模式有很多种写法，大部分写法都或多或少有一些不足。下面将分别对这几种写法进行介绍。

## 1、饿汉模式 ##

public class SignleObject2 {
        private static SignleObject2 instance = new SignleObject2();
    
        private SignleObject2()  { }
    
        public static SignleObject2 getInstance() {
            return instance;
        }
    }

*  从代码中我们看到，类的构造函数定义为private的，保证其他类不能实例化此类，然后提供了一个静态实例并返回给调用者。饿汉模式是最简单的一种实现方式，**饿汉模式在类加载的时候就对实例进行创建，实例在整个程序周期都存在**。
 *  它的**好处**是只**在类加载的时候创建一次实例**，不会存在多个线程创建多个实例的情况，**避免了多线程同步的问题**。
 *  它的**缺点**也很明显，即使这个单例没有用到也会被创建，而且在类加载之后就被创建，**内存就被浪费**了。
 *   这种实现方式**适合**单例**占用内存比较小**，在初始化时就会被用到的情况。但是，如果单例占用的内存比较大，或单例只是在某个特定场景下才会用到，使用饿汉模式就不合适了，这时候就需要用到懒汉模式进行延迟加载。

## 2、懒汉模式 ##

*  **好处：懒汉模式中单例是在需要的时候才去创建的**，如果单例已经创建，再次调用获取接口将不会重新创建新的对象，而是直接返回之前创建的对象。
 *  **适用于：**如果某个单例使用的次数少，并且创建单例消耗的资源较多，那么就需要实现单例的按需创建，这个时候使用懒汉模式就是一个不错的选择。
 *  **缺点：**但是这里的**懒汉模式并没有考虑线程安全问题**，在多个线程可能会并发调用它的getInstance()方法，导致创建多个实例，因此**需要加锁解决线程同步问题**，实现如下:

public class SignleObject1 {
        private static SignleObject1 instance;
    
        private SignleObject1()  { }
    
        //加锁 线程安全、性能差、
        public static synchronized SignleObject1 getInstance() {
            if (instance == null) {
                instance = new SignleObject1();
            }
            return instance;
        }
    }

## 3、双重校验锁【推荐】 ##

> 1.  `这个问题在Java面试中经常被问到，但是面试官对回答此问题的满意度仅为50%。`
> 2.  `一半的人写不出双检锁，还有一半的人说不出它的隐患和Java1.5是如何对它修正的。`
> 3.  `它其实是一个用来创建线程安全的单例的老方法，当单例实例第一次被创建时它试图用单个锁进行性能优化，`
> 4.  `但是由于太过于复杂在JDK1.4中它是失败的，我个人也不喜欢它。无论如何，即便你也不喜欢它但是还是要了解一下，因为它经常被问到。`

*  加锁的懒汉模式看起来即解决了线程并发问题，又实现了延迟加载，然而它存在着性能问题，依然不够完美。
 *  synchronized修饰的同步方法比一般方法要慢很多，如果多次调用getInstance()，累积的性能损耗就比较大了。
 *  因此就有了双重校验锁，先看下它的实现代码。

public class SignleObject3 {
        private static SignleObject3 instance = null;
    
        private SignleObject3()  { }
    
        public static SignleObject3 getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (SignleObject3.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = new SignleObject3();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

*  可以看到上面在同步代码块外多了一层instance为空的判断。由于单例对象只需要创建一次，如果后面再次调用getInstance()只需要直接返回单例对象。
 *  因此，大部分情况下，调用getInstance()都不会执行到同步代码块，从而提高了程序性能。
 *  不过还需要考虑一种情况，假如两个线程A、B，A执行了if (instance == null)语句，它会认为单例对象没有创建，此时线程切到B也执行了同样的语句，B也认为单例对象没有创建，然后两个线程依次执行同步代码块，并分别创建了一个单例对象。为了解决这个问题，还需要在同步代码块中增加if (instance == null)语句，也就是上面看到的代码中的校验2。
 *  双检锁隐患：

> 我们看到双重校验锁即实现了延迟加载，又解决了线程并发问题，同时还解决了执行效率问题，是否真的就万无一失了呢？

*  这里要提到**Java中的指令重排优化**。所谓**指令重排优化是指在不改变原语义的情况下，通过调整指令的执行顺序让程序运行的更快**。
 *  JVM中并没有规定编译器优化相关的内容，也就是说**JVM可以自由的进行指令重排序的优化**。
 *  这个问题的关键就在于**由于指令重排优化的存在，导致初始化Singleton和将对象地址赋给instance字段的顺序是不确定的。**
 *  在某个线程创建单例对象时，在构造方法被调用之前，就为该对象分配了内存空间并将对象的字段设置为默认值。
 *  此时就可以将分配的内存地址赋值给instance字段了，然而该对象可能还没有初始化。若紧接着另外一个线程来调用getInstance，取到的就是状态不正确的对象，程序就会出错。

*  JDK5的修正：以上就是双重校验锁会失效的原因，不过还好**在JDK1.5及之后版本增加了volatile关键字**。
    
     *  **volatile的一个语义是禁止指令重排序优化**，也就保证了instance变量被赋值的时候对象已经是初始化过的，从而避免了上面说到的问题。
     *  **Java中的volatile 变量是什么？**
        
        > 1.  `理解volatile关键字的作用的前提是要理解Java内存模型，volatile关键字的作用主要有两个：`
        > 2.   
        > 3.  `（1）多线程主要围绕可见性和原子性两个特性而展开，使用volatile关键字修饰的变量，保证了其在多线程之间的可见性，`
        > 4.  `即每次读取到volatile变量，一定是最新的数据`
        > 5.   
        > 6.  `（2）代码底层执行不像我们看到的高级语言—-Java程序这么简单，`
        > 7.  `它的执行是Java代码–>字节码–>根据字节码执行对应的C/C++代码–>C/C++代码被编译成汇编语言–>和硬件电路交互，`
        > 8.  `现实中，为了获取更好的性能JVM可能会对指令进行重排序，多线程下可能会出现一些意想不到的问题。`
        > 9.  `使用volatile则会对禁止语义重排序，当然这也一定程度上降低了代码执行效率`
        > 10.  
        > 11.  
        > 12. `从实践角度而言，volatile的一个重要作用就是和CAS结合，保证了原子性，`
        > 13. `详细的可以参见java.util.concurrent.atomic包下的类，比如AtomicInteger。`
        >     
        >     1.  `CAS（Compare and swap）比较和替换是设计并发算法时用到的一种技术。`
        >     2.  `简单来说，比较和替换是使用一个期望值和一个变量的当前值进行比较，如果当前变量的值与我们期望的值相等，就使用一个新值替换当前变量的值。`

> 1.  `volatile是一个特殊的修饰符，只有成员变量才能使用它。`
> 2.  `在Java并发程序缺少同步类的情况下，多线程对成员变量的操作对其它线程是透明的。`
> 3.  `volatile变量可以保证下一个读取操作会在前一个写操作之后发生。`
>     
>     来源： [http://blog.csdn.net/fly910905/article/details/79283557][http_blog.csdn.net_fly910905_article_details_79283557]

*  代码如下：
    
        public class SignleObject3 {
            private static volatile SignleObject3 instance = null;
        
            private SignleObject3()  { }
        
            public static SignleObject3 getInstance() {
                if (instance == null) {
                    synchronized (SignleObject3.class) {
                        if (instance == null) {
                            instance = new SignleObject3();
                        }
                    }
                }
                return instance;
            }
        }

## 4、静态内部类【推荐】 ##

*  除了上面的三种方式，还有另外一种实现单例的方式，通过静态内部类来实现。
 *  首先看一下它的实现代码：
    
         
    
        public class SignleObject4 {
            private static class SignletonHolder {
                public static SignleObject4 instance = new SignleObject4();
            }
        
            private SignleObject4()  { }
        
            public static SignleObject4 getInstance() {
                return SignletonHolder.instance;
            }
        }
    
     
 *   这种方式同样利用了**类加载机制**来保证只创建一个instance实例。它与饿汉模式一样，也是利用了类加载机制，因此不存在多线程并发的问题。
 *  不一样的是，它是在内部类里面去创建对象实例。
 *  这样的话，只要应用中不使用内部类，JVM就不会去加载这个单例类，也就不会创建单例对象，从而实现懒汉式的延迟加载。也就是说这种方式**可以同时保证延迟加载和线程安全**。

## 5、枚举 ##

class Resource{
    }
    public enum SomeThing {
        INSTANCE;
        private Resource instance;
        private SomeThing() {
            instance = new Resource();
        }
        public Resource getInstance() {
            return instance;
        }
    }

*  上面的类Resource是我们要应用单例模式的资源，具体可以表现为网络连接，数据库连接，线程池等等。 
 *  获取资源的方式很简单，只要 **SomeThing.INSTANCE.getInstance() **即可获得所要实例。
 *  **下面我们来看看单例是如何被保证的： **
    
     *  首先，在枚举中我们**明确了构造方法限制为私有**，在我们访问枚举实例时会执行构造方法。
     *  同时每个**枚举实例都是static final类型的**，也就表明只能被实例化一次。在调用构造方法时，我们的单例被实例化。 
     *  也就是说，因为enum中的实例被保证只会被实例化一次，所以我们的INSTANCE也被保证实例化一次。

*  可以看到，枚举实现单例还是比较简单的，除此之外我们再来看一下Enum这个类的声明：

> 1.  `public abstract class Enum<E extends Enum<E>>`
> 2.  `implements Comparable<E>, Serializable`

*  可以看到，枚举也提供了序列化机制。某些情况，比如我们要通过网络传输一个数据库连接的句柄，会提供很多帮助。 
 *  最后借用 《Effective Java》一书中的话，

> 1.  `单元素的枚举类型已经成为实现Singleton的最佳方法。`

示例：

/**
     * @Title: java单例之enum实现方式
     * @ClassName: EnumSingleton.java
     * @Description:
     *
     * @Copyright 2016-2018 - Powered By 研发中心
     * @author: 王延飞
     * @date:  2018-02-07 20:02
     * @version V1.0
     */
    public class EnumSingleton{
        private EnumSingleton(){}
        public static EnumSingleton getInstance(){
            return Singleton.INSTANCE.getInstance();
        }
        private static enum Singleton{
            INSTANCE;
            private EnumSingleton singleton;
            //JVM会保证此方法绝对只调用一次
            private Singleton(){
                singleton = new EnumSingleton();
            }
            public EnumSingleton getInstance(){
                return singleton;
            }
        }
        public static void main(String[] args) {
            EnumSingleton obj1 = EnumSingleton.getInstance();
            EnumSingleton obj2 = EnumSingleton.getInstance();
            //输出结果：obj1==obj2?true
            System.out.println("obj1==obj2?" + (obj1==obj2));
        }
    }

*  **上面提到的四种实现单例的方式都有共同的缺点**：
    
     *  1）**需要额外的工作来实现序列化**，否则每次反序列化一个序列化的对象时都会创建一个新的实例。
     *  2）可以**使用反射强行调用私有构造器**（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）。

而枚举类很好的解决了这两个问题，使用枚举除了线程安全和防止反射调用构造器之外，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。

## 6、单例模式的线程安全性 ##

首先要说的是单例模式的线程安全意味着：某个类的实例在多线程环境下只会被创建一次出来。单例模式有很多种的写法，我总结一下：

（1）饿汉式：线程安全

（2）懒汉式：非线程安全

（3）双检锁：线程安全

（4）静态内部类：线程安全

（5）枚举：线程安全

参考来源： [http://www.importnew.com/12773.html][http_www.importnew.com_12773.html]

参考来源： [http://bl][http_bl][og.csdn.net/goodlixueyong/article/details/51935526][http_bl]

[http_blog.csdn.net_fly910905_article_details_79283557]: http://blog.csdn.net/fly910905/article/details/79283557
[http_www.importnew.com_12773.html]: http://www.importnew.com/12773.html
[http_bl]: http://blog.csdn.net/goodlixueyong/article/details/51935526