Java設計模式【單例模式】單例模式單例模式（Singleton Pattern）是一種創建型設計模式，其主要目的是確保一個類只有一個實例，並提供對該實例的唯一訪問點。優缺點優點: 提供了對唯一實例的受控訪問。由於在系統記憶體中只存在一個對象，因此可以節約系統資源。缺點：單例類的擴展有很 ...

Java設計模式【單例模式】

設計模式

單例模式

單例模式（Singleton Pattern）是一種創建型設計模式，其主要目的是確保一個類只有一個實例，並提供對該實例的唯一訪問點。

優缺點

優點:

提供了對唯一實例的受控訪問。
由於在系統記憶體中只存在一個對象，因此可以節約系統資源。

缺點：

單例類的擴展有很大的困難。
單例類的職責過重，在一定程度上違背了“單一職責原則”。
對象生命周期。單例模式沒有提出對象的銷毀，在提供記憶體的管理的開發語言中，只有單例模式對象自己才能將對象實例銷毀，因為只有它擁有對實例的引用。在各種開發語言中，比如C++，其他類可以銷毀對象實例，但是這麼做將導致單例類內部的指針指向不明。

單例模式的使用

餓漢模式

靜態成員變數

/**
 * @author Physicx
 * @date 2023/5/12 下午10:13
 * @desc 單例
 * Created with IntelliJ IDEA
 */
public class Singleton {

    //初始化實例對象
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    //私有化構造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供獲取實例對象方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

靜態代碼塊

/**
 * @author Physicx
 * @date 2023/5/12 下午10:13
 * @desc 單例
 * Created with IntelliJ IDEA
 */
public class Singleton {

    //實例對象
    private static final Singleton instance;

    static {
        instance = new Singleton();
    }

    //私有化構造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供獲取實例對象方法
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }

}

餓漢式單例的寫法適用於單例對象較少的情況，這樣寫可以保證絕對的線程安全，執行效率比較高。但是缺點也很明顯，餓漢式會在類載入的時候就將所有單例對象實例化，這樣系統中如果有大量的餓漢式單例對象的存在，系統初始化的時候會造成大量的記憶體浪費，換句話說就是不管對象用不用，對象都已存在，占用記憶體。

懶漢模式

public class Singleton {

    //實例對象
    private static Singleton instance;

    //私有化構造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供獲取實例對象方法(線程安全)
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }

}

線程安全的一種懶漢式寫法，在類第一次使用的時候初始化，獲取實例的靜態方法由synchronized修飾，所以是線程安全的。這種方法每次獲取實例對象都加鎖同步，效率較低。

雙重檢測機制（DCL）

public class Singleton {

    //實例對象
    private static volatile Singleton instance;

    //私有化構造方法
    private Singleton() {
    }

    //提供獲取實例對象方法
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            //加鎖處理
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance==null) {
                    //初始化
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

}

實例對象必須用 volatile 修飾，否則極端情況可能出現安全隱患。

以上初始化對象代碼被編譯後會變成以下三條指令：

分配對象的記憶體空間。
初始化對象。
設置instance指向剛纔分配的記憶體空間。

如果按照上面的執行順序則不加volatile沒有問題，但是CPU或編譯器為了提高效率，可能會進行指令重排，最終順序變為：

分配對象的記憶體空間。
設置instance指向剛纔分配的記憶體空間。
初始化對象。

當兩個線程同時獲取實例對象時，線程A已經將instance指向分配空間但未初始化對象，線程B此時第一次判空已不為空，於是返回instance實例，但是此時返回的實例未初始化會導致後續空指針異常。

DCL這種方式同樣也是類第一次使用的時候初始化，初始化代碼synchronized修飾線程安全，這種方式只會第一次實例對象才會進行同步，因此效率高。

《Java Concurrency in Practice》作者Brian Goetz在書中提到關於DCL的觀點：促使DCL模式出現的驅動力（無競爭同步的執行速度很慢，以及JVM啟動時很慢）已經不復存在，因而它不是一種高效的優化措施。延遲初始化占位類模式（靜態內部類）能帶來同樣的優勢，並且更容易理解。

靜態內部類（延遲初始化）

public class Singleton {

    //私有化構造方法
    private Singleton(){}

    //靜態內部類（被調用時載入）
    private static class SingletonHandle {
        private static final Singleton instance = new Singleton();
    }

    //提供獲取實例對象方法
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHandle.instance;
    }

}

利用靜態內部類被調用時才載入的特性，通過靜態初始化初始Singleton對象，由於JVM將在初始化期間獲得一個鎖，並且每個線程都至少獲取一次這個鎖以確保這個類已經載入，因此在靜態初始化期間，記憶體寫入操作將自動對所有線程可見。因此無論是在被構造期間還是被引用時，靜態初始化的對象都不需要顯式的同步。

線程安全，效率高，使用的時候才會初始化不浪費記憶體。

《Java Concurrency in Practice》作者Brian Goetz 推薦這種單例實現方式。

枚舉實現方式

除了以上幾種常見的實現方式之外，Google 首席 Java 架構師、《Effective Java》一書作者、Java集合框架的開創者Joshua Bloch在Effective Java一書中提到：單元素的枚舉類型已經成為實現Singleton的最佳方法。

在這種實現方式中，既可以避免多線程同步問題；還可以防止通過反射和反序列化來重新創建新的對象。

public class Singleton {

    //私有化構造方法
    private Singleton() {}

    enum SingletonEnum {
        SINGLETON;
        private final Singleton instance;

        SingletonEnum() {
            instance = new Singleton();
        }
        //提供獲取實例對象方法
        public Singleton getInstance() {
            return instance;
        }
    }

}

調用方式如下：

public static void main(String[] args) {
        Singleton instance1 = Singleton.SingletonEnum.SINGLETON.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.SingletonEnum.SINGLETON.getInstance();
        System.out.println(instance2 == instance1);
    }

普通的單例模式是可以通過反射和序列化/反序列化來破解的，jvm虛擬機會保證枚舉類型不能被反射並且構造函數只被執行一次，而Enum由於自身的特性問題，是無法破解的。當然，由於這種情況基本不會出現，因此我們在使用單例模式的時候也比較少考慮這個問題。

總結

實現方式	優點	缺點
餓漢模式	線程安全，效率高	非懶載入
懶漢模式	線程安全，懶載入	效率低
雙重檢測機制	線程安全，懶載入，效率高
靜態內部類	線程安全，懶載入，效率高
枚舉	線程安全，效率高	非懶載入