什么是 Java 中的单例模式？如何实现？

单例模式是一种常用的软件设计模式，在这种模式中，某个类的实例化次数被限制为一个。意味着，在整个应用程序中，一个类只有一个实例存在。这用于那些我们只需要一个实例来控制操作的情况下，比如：日志、驱动对象、数据库操作等。

首先，让我们来看看一个最简单的单例模式的实现：

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

在这个代码中，我们有一个Singleton类，它有一个Singleton类型的私有静态成员变量instance，同时有一个公有的静态方法getInstance。这个getInstance方法是获取Singleton实例的唯一途径。当我们第一次调用getInstance方法时，会创建一个Singleton的实例，并赋值给instance；而在后续的调用中，如果instance已经被创建，则直接返回。也就是说，Singleton类的实例最多只会被创建一次。

把构造函数设为私有的是非常关键的，这是为了防止在外部被new出新的实例。并且我们注意到，instance的创建过程被synchronized修饰，这是为了防止在多线程环境下生成多个实例。然后，是另外一种更为推荐的单例模式的实现方法，那就是使用Java的内部类来保证单例：

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

在这个实现中，SingletonHolder是一个私有的静态内部类，当第一次加载Singleton类时不会初始化这个静态内部类，只有在第一次调用Singleton的getInstance方法时才会导致SingletonHolder被初始化。由于实例的建立是在类加载的时候完成，这样就可以确保线程安全。这个模式的优点是既保证了线程安全，又能做到延迟加载。

除了前面提到的最基础的单例模式，有很多种使用单例模式的方式，比如"懒汉式"，"饿汉式"，"双检锁/双重校验锁 (DCL，即 double-checked locking）","登记式/静态内部类"，"枚举"等。其中,"饿汉式"和"懒汉式"是最常用的两种形式。

"饿汉式"是最常见的一种实现方式，这种方式在类加载时就完成了初始化，所以类加载较慢，但获取对象的速度快，它是一种典型的以时间换空间的方式。

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

相对应的，"懒汉式"是另一种方式，较之前示例不同，懒汉式是典型的空间换时间的方式，只有在使用的时候才去创建对象，可以节约内存。

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

然后，还有一种方式是双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）。这种方式在加锁的情况下，我们再检查一次，如果单例仍然不是空，就返回实例，否则就创建一个新的实例。这是一种比较复杂的实现方式，但可以在保持线程安全的前提下，提高了单例的获取性能。

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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;
    }
}

在上述的代码中，第一次检查是为了不必要的同步，第二次检查则是再同步情况下进行，保证了只生成一个实例。

理解了Java中单例模式的原理和实现后，你就可以在自己的代码中灵活应用这种设计模式了。例如在应用日志、数据库连接池等需要全局唯一的资源的管理时就可以使用到。这也是你作为Java开发者必会的面试题之一。