1 简介

单例模式(Singleton Pattern) 是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

$\bullet$ 单例类只能有一个实例

$\bullet$ 单例类必须自己创建自己的唯一实例

$\bullet$ 单例类必须给所有其它对象提供这一实例

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

主要解决：一个全局使用的类频繁的创建与销毁。

何时使用：当你想控制实例数目，节省系统资源的时候。

如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，没有则创建。

关键代码：构造函数是私有的。

2 实现

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。

SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

步骤1：创建一个 SingleObject 类

public class SingleObject{
    // 创建 SingleObject 的一个对象
    private static final SingleObject instance = new SingleObject();

    // 让构造函数为 private, 这样该类就不会被实例化
    private SingleObject(){}

    // 获取唯一可用的实例
    public static SingleObject getInstance(){
        return instance;
    }

    public void showMessage(){
        System.out.println("Hello SWPU");
    }
}

步骤2：创建 SingletonPatternDemo 类，并从 SingleObjcet 类获取唯一的对象

public class SingletonPatternDemo{

    public static void main(Steing[] args){

        // 编译时报错，SingleObject() 的构造函数是不可见的
        //SingleObject instance = new SingleObject();

        // 正确的、获取唯一可用的对象
        SingleObject instance= SingleObject.getInstance();

        // 显示消息
        instance.showMessage();
    }
}

步骤3：执行程序，输出结果

Hello SWPU

3 单例模式的几种实习方式

1. 饿汉式

描述：这种方式比较常用，是多线程安全的，但容易产生垃圾对象。它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法，但是也不能确定有其他的方式导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

优点：没有加锁，执行效率会提高。

缺点：类加载时就初始化，浪费内存。

public class Singleton{
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    private Singleton(){}

    public static Singleton newInstance(){
        return instance;
    }

}

2. 懒汉式，线程不安全

描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized, 所以严格意义上它并不算是单例模式。

public class Singleton{
    private static Singleton instance;

    private Singleton(){}

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

3. 懒汉式，线程安全

描述：这种方式具备很好的 lazy loading, 能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99%情况下不需要同步。

优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。

缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。

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

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

4. 双检锁/双重校验锁(DCL, double-check locking)

描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。

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

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

5. 登记式/静态内部类

描述：这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它和第一种方式不同的是：第1种方式只要 Singleton 类被装载了，那么 instance 就会被实例化，而这种方式是 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 类没有被主动使用，只有通过显示调用 getInstance 方法时，才会显示装载 SingletonHolder 类，从而实例化 instance.想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第1种方式就显得很合理。

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

    public static final Singleton getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}