设计模式 008：单例模式(Singleton)

类图

使用一个私有构造函数、一个私有静态变量以及一个公有静态函数来实现：

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的私有静态变量

classDiagram
    class Singleton {
        -Singleton$ uniqueInstance
        -Singleton()
        +getUniqueInstance()$ Singleton
    }

6 种实现方式

实现方式	线程安全	延迟加载	备注
懒汉式（线程不安全）	✗	✓	多线程下会多次实例化
饿汉式	✓	✗	类加载即实例化，简单直接
懒汉式（线程安全）	✓	✓	方法级 synchronized，性能损耗
双重校验锁	✓	✓	推荐，需 volatile
静态内部类	✓	✓	推荐，借助类加载机制
枚举	✓	✗	最佳实践，防反射/序列化攻击

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。

public class Singleton {
    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

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

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 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，导致多次实例化。

饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被多次实例化，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题：

private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

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。

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，从而避免多次实例化的问题：

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

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，因此性能上有一定的损耗。

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的代码进行，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;
    }
}

为什么需要两个 if 语句？ 考虑只使用一个 if 语句的实现：

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

在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程同时执行 if 语句，那么两个线程就会同时进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化，产生两个实例。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句。

为什么需要 volatile？ uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行：

分配内存空间
初始化对象
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，有可能执行顺序变为了 1>3>2。这在单线程情况下自然是没有问题，但在多线程下，有可能获得的是一个还没有被初始化的实例，以致于程序出错。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。

静态内部类实现

当 Singleton 类加载时，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 实例。

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }

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

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

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由虚拟机提供了对线程安全的支持（类初始化锁）。

枚举实现

这是单例模式的最佳实践，它实现简单，并且在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候，能够防止实例化多次：

public enum Singleton {
    uniqueInstance;
}

为什么说枚举是最佳实践？考虑以下单例模式的实现：

public class Singleton implements Serializable {
    private static Singleton uniqueInstance;

    private Singleton() {
    }

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

序列化问题：该 Singleton 在每次序列化的时候都会创建一个新的实例。为了保证只创建一个实例，必须声明所有字段都是 transient，并且提供一个 readResolve() 方法
反射攻击：如果不使用枚举来实现单例模式，会出现反射攻击——通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 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实例化第二个对象的代码

从上面的讨论可以看出，解决序列化和反射攻击很麻烦，而枚举实现不会出现这两种问题。

使用场景

Logger Classes（日志类）
Configuration Classes（配置类）
Accessing resources in shared mode（以共享模式访问资源）
Factories implemented as Singletons（以单例实现的工厂）

JDK 中的应用

java.lang.Runtime#getRuntime()
java.awt.Desktop#getDesktop()
java.lang.System#getSecurityManager()

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