1.简介

单例模式是一种常用的软件设计模式，其定义是单例对象的类只能允许一个实例存在。

许多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为。
比如在某个服务器程序中，该服务器的配置信息存放在一个文件中，这些配置数据由一个单例对象统一读取，然后服务进程中的其他对象再通过这个单例对象获取这些配置信息。
这种方式简化了在复杂环境下的配置管理。

2. 特点

单例类只能有一个实例
单例类必须自己创建自己的唯一实例
单例类必须给所有其他对象提供这一实例

2.1 优缺点

2.1.1 优点

在内存中只有一个对象，节省内存空间；
避免频繁的创建销毁对象，可以提高性能；
避免对共享资源的多重占用，简化访问；
为整个系统提供一个全局访问点。

2.1.2 缺点

不适用于变化频繁的对象；
滥用单例将带来一些负面问题，如为了节省资源将数据库连接池对象设计为的单例类，可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出；
如果实例化的对象长时间不被利用，系统会认为该对象是垃圾而被回收，这可能会导致对象状态的丢失；

2.2 适用场景

需要生成唯一序列的环境
需要频繁实例化然后销毁的对象
创建对象时耗时过多或者耗资源过多，但又经常用到的对象
方便资源相互通信的环境

3. 模式结构

单例模式

4. 实现步骤

将该类的构造方法定义为私有方法：
这样其他处的代码就无法通过调用该类的构造方法来实例化该类的对象，只有通过该类提供的静态方法来得到该类的唯一实例。
在该类内提供一个静态方法：
当我们调用这个方法时，如果类持有的引用不为空就返回这个引用，如果类保持的引用为空就创建该类的实例并将实例的引用赋予该类保持的引用。

5. 模式案例

5.1 案例描述

你将为一个网站设计一个用于连接数据库的数据库连接池，它基于JDBC，并且要求具有以下几个功能：

连接池内有数量可定的已连接对象随时供取用
当连接池内的连接对象不够时可生成新的对象取用
当连接操作完毕后，可将连接对象放回连接池

5.2 案例分析

使用单例模式实现连接池：

将该类的构造方法定义为私有方法：

private ConnectionPool() {
        url="jdbc:mysql://localhost:3306/j2ee_exp";
        user="root";
        password="0326";
        connections=new LinkedList<>();
        addConnection(10);
    }

在该类内提供一个静态方法：

public static ConnectionPool getInstance(){
       if(connectionPool==null){
           return new ConnectionPool();
       }
       else return connectionPool;
   }

使用线性表存储连接对象，实现对连接对象操作的各个方法。

5.3 代码编写

package EXP6;

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;
import java.util.LinkedList;

public class ConnectionPool {
    //数据库地址
    private final String url;
    //取得用户
    private final String user;
    //登录密码
    private final String password;

    private final LinkedList<Connection> connections;
    private static ConnectionPool connectionPool;

    private ConnectionPool() {
        url="jdbc:mysql://localhost:3306/j2ee_exp";
        user="root";
        password="0326";
        connections=new LinkedList<>();
        addConnection(10);
    }
    private ConnectionPool(String url,String user,String password) {
        this.url=url;this.user=user;this.password=password;
        connections=new LinkedList<>();
        addConnection(10);
    }
    public static ConnectionPool getInstance(){
        if(connectionPool==null){
            return new ConnectionPool();
        }
        else return connectionPool;
    }
    public static ConnectionPool getInstance(String url,String user,String password){
        if(connectionPool==null){
            return new ConnectionPool(url,user,password);
        }
        else return null;
    }
   
    private void addConnection(int num) {
        try {
            for(int i=0;i<num;i++)
            {
                connections.add(DriverManager.getConnection(url,user,password));
            }
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public Connection getConnection() {
        if(connections.size()==0) addConnection(1);
        Connection t=connections.getFirst();
        connections.removeFirst();
        return t;
    }
    public void releaseConnection(Connection c) {
        if (c != null) {
            try {
                if (c.isClosed()) connections.add(c);
                else addConnection(1);
            } catch (SQLException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

6. 进阶写法

6.1 懒汉式(线程不安全)

懒汉式其实是一种比较形象的称谓。
既然懒，那么在创建对象实例的时候就不着急。会一直等到马上要使用对象实例的时候才会创建，懒人嘛，总是推脱不开的时候才会真正去执行工作。
因此在装载对象的时候不创建对象实例。

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton (){}

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

这段代码简单明了，而且使用了懒加载模式，但是却存在致命的问题。
当有多个线程并行调用 getInstance() 的时候，就会创建多个实例。
也就是说在多线程下不能正常工作。

6.2 懒汉式(线程安全)

为了解决上面的问题，最简单的方法是将整个 getInstance() 方法设为同步（synchronized）。

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

虽然做到了线程安全，并且解决了多实例的问题，但是它并不高效。
因为在任何时候只能有一个线程调用 getInstance() 方法。但是同步操作只需要在第一次调用时才被需要，即第一次创建单例实例对象时。
这就引出了双重检验锁。

6.3 双重检验锁

双重检验锁模式（double checked locking pattern），是一种使用同步块加锁的方法。
程序员称其为双重检查锁，因为会有两次检查 instance == null，一次是在同步块外，一次是在同步块内。
为什么在同步块内还要再检验一次？因为可能会有多个线程一起进入同步块外的 if，如果在同步块内不进行二次检验的话就会生成多个实例了。

public static Singleton getSingleton() {
    if (instance == null) {                         //Single Checked
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {                 //Double Checked
                instance = new Singleton();
            }
        }
    }
    return instance ;
}

这段代码看起来很完美，很可惜，它是有问题:
主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情:

给 instance 分配内存
调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
将instance对象指向分配的内存空间
（执行完这步 instance 就为非 null 了）

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。

也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。
如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。

我们只需要将 instance 变量声明成 volatile 就可以了。

public class Singleton {
    private volatile static Singleton instance; //声明成 volatile
    private Singleton (){}

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

有些人认为使用 volatile 的原因是可见性，也就是可以保证线程在本地不会存有 instance 的副本，每次都是去主内存中读取。
但其实是不对的。

使用 volatile 的主要原因是其另一个特性：禁止指令重排序优化。

也就是说，在 volatile 变量的赋值操作后面会有一个内存屏障（生成的汇编代码上），读操作不会被重排序到内存屏障之前。
比如上面的例子，取操作必须在执行完 1-2-3 之后或者 1-3-2 之后，不存在执行到 1-3 然后取到值的情况。

从「先行发生原则」的角度理解的话，就是对于一个 volatile 变量的写操作都先行发生于后面对这个变量的读操作（这里的“后面”是时间上的先后顺序）。

但是特别注意在 Java 5 以前的版本使用了 volatile 的双检锁还是有问题的。其原因是 Java 5 以前的 JMM （Java 内存模型）是存在缺陷的，即时将变量声明成 volatile 也不能完全避免重排序，主要是 volatile 变量前后的代码仍然存在重排序问题。
这个 volatile 屏蔽重排序的问题在 Java 5 中才得以修复，所以在这之后才可以放心使用 volatile。

相信你不会喜欢这种复杂又隐含问题的方式，当然我们有更好的实现线程安全的单例模式的办法。

6.4 饿汉式 static final field

饿汉式其实是一种比较形象的称谓。
既然饿，那么在创建对象实例的时候就比较着急，饿了嘛，于是在装载类的时候就创建对象实例。

这种方法非常简单，因为单例的实例被声明成 static 和 final 变量了，在第一次加载类到内存中时就会初始化，所以创建实例本身是线程安全的。

public class Singleton{
    //类加载时就初始化
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    
    private Singleton(){}

    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

缺点是它不是一种懒加载模式（lazy initialization），单例会在加载类后一开始就被初始化，即使客户端没有调用 getInstance()方法。

饿汉式的创建方式在一些场景中将无法使用：
譬如 Singleton 实例的创建是依赖参数或者配置文件的，在 getInstance() 之前必须调用某个方法设置参数给它，那样这种单例写法就无法使用了。

6.5 静态内部类 static nested class

这种方法也是《Effective Java》上所推荐的。

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

这种写法仍然使用JVM本身机制保证了线程安全问题。
由于静态单例对象没有作为Singleton的成员变量直接实例化，因此类加载时不会实例化Singleton，**第一次调用getInstance()时将加载内部类SingletonHolder **，在该内部类中定义了一个static类型的变量INSTANCE ，此时会首先初始化这个成员变量，由Java虚拟机来保证其线程安全性，确保该成员变量只能初始化一次。由于getInstance()方法没有任何线程锁定，因此其性能不会造成任何影响。

由于 SingletonHolder 是私有的，除了 getInstance() 之外没有办法访问它，因此它是懒汉式的；同时读取实例的时候不会进行同步，没有性能缺陷；也不依赖 JDK 版本。

6.6 枚举 Enum

用枚举写单例实在太简单了！这也是它最大的优点。下面这段代码就是声明枚举实例的通常做法。

1
2
3

public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

我们可以通过EasySingleton.INSTANCE来访问实例，这比调用getInstance()方法简单多了。创建枚举默认就是线程安全的，所以不需要担心double checked locking，而且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。

8. 总结

我们可以总结出，要想实现效率高的线程安全的单例，我们必须注意以下两点：

尽量减少同步块的作用域
尽量使用细粒度的锁

一般来说，单例模式有五种写法：
懒汉、饿汉、双重检验锁、静态内部类、枚举
上述所说都是线程安全的实现，上文中第一种方式线程不安全，排除。

一般情况下直接使用饿汉式就好了，如果明确要求要懒加载（lazy initialization）倾向于使用静态内部类。
如果涉及到反序列化创建对象时会试着使用枚举的方式来实现单例。

参考：
https://www.jianshu.com/p/650593e69f59
https://www.cnblogs.com/xuwendong/p/9633985.html

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