Java 设计模式之单例模式

单例模式是一种创建型设计模式，它确保一个类只有一个实例，并提供了一种访问该实例的全局方法。这种模式有助于确保系统中的某些组件只有一个实例，并提供了一种方便的方法来访问该实例。

更多设计模式请参考：Java 中的 23 种设计模式详解

使用场景

需要频繁进行创建和销毁的对象；
创建对象时耗时过多或耗费资源过多，但又经常使用的对象；
工具类对象；
频繁访问数据库或文件的对象。

在Java中，单例模式通常使用一个私有构造函数和一个静态getInstance方法来实现。以下是Java中单例模式的几种示例：

1.1 饿汉式（静态常量）【可用】

优点：这种写法比较简单，就是在类装载的时候就完成实例化，避免了线程同步问题。

缺点：在类装载的时候就完成实例化，没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例，则会造成内存的浪费。

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public class Singleton {
    // 在类加载时就创建实例
    private static final Singleton instance = new Singleton();

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

1.2 饿汉式（静态代码块）【可用】

这种方式和上面的方式类似，只不过将类实例化的过程放在了静态代码块中，也是在类装载的时候执行静态代码块中的代码，初始化类的实例。优缺点和上面一样。

java 复制代码

public class Singleton {
    // 在类加载时创建实例
    private static final Singleton instance;

    // 静态代码块，在类加载时执行
    static {
        instance = new Singleton();
    }

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

1.3 懒汉式（线程不安全）【不可用】

这种写法起到了Lazy Loading的效果，但是只能在单线程下使用。如果在多线程下，一个线程进入了if (instance == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

java 复制代码

public class Singleton {
    // 类加载时不创建实例
    private static Singleton instance;

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供全局访问点
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

1.4 懒汉式（线程安全，同步方法）【不推荐用】

解决上面线程不安全问题的方式是对getInstance()方法进行同步。但这种方式效率太低，每个线程在想获得类的实例时，执行getInstance()方法都要进行同步。其实这个方法只需执行一次实例化代码，后面直接return实例化对象即可。

java 复制代码

public class Singleton {
    // 类加载时不创建实例
    private static Singleton instance;

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供全局访问点，使用同步方法保证线程安全
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

1.5 懒汉式（线程安全，同步代码块）【不可用】

这种方式尝试使用同步代码块来提高效率，但仍无法保证线程安全。如果一个线程进入了if (instance == null)判断语句块，还未来得及往下执行，另一个线程也通过了这个判断语句，这时便会产生多个实例。

java 复制代码

public class Singleton {
    // 类加载时不创建实例
    private static Singleton instance;

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供全局访问点，尝试使用同步代码块
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

1.6 双重检查【推荐使用】

Double-Check概念对于多线程开发者来说不会陌生，进行了两次if (instance == null)检查，这样就可以保证线程安全。实例化代码只需执行一次，后面再次访问时，判断if (instance == null)，直接return实例化对象。

优点：线程安全；延迟加载；效率较高。

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public class Singleton {
    // 类加载时不创建实例
    private static volatile Singleton instance;

    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 提供全局访问点，使用双重检查锁定机制保证线程安全
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

1.7 静态内部类【推荐使用】

这种方式与饿汉式方式类似，都是采用类装载机制来保证实例化时只有一个线程。但不同的是，饿汉式在类装载时就实例化，没有Lazy-Loading效果，而静态内部类方式在需要实例化时才装载静态内部类，从而实例化Singleton。类的静态属性只会在第一次加载类时初始化，所以这里JVM帮助保证了线程的安全性。

优点：避免了线程不安全，延迟加载，效率高。

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public class Singleton {
    // 私有构造函数，防止外部实例化
    private Singleton() {}

    // 静态内部类，负责持有单例实例
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }

    // 提供全局访问点，通过静态内部类实现延迟加载和线程安全
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

1.8 枚举【推荐使用】

创建枚举默认就是线程安全的，不需要担心double checked locking，并且还能防止反序列化导致重新创建新的对象。枚举让JVM保证线程安全和单一实例问题，是JDK1.5版本后最适合用于创建单例设计模式的方法，是唯一一种不会被反射破坏单例状态的模式。

java 复制代码

// 使用枚举实现单例模式
public enum Singleton {
    // 定义一个枚举元素，即为单例实例
    INSTANCE;

    // 可以定义其他方法
    public void someMethod() {
        // 实现方法逻辑
    }
}

// 测试枚举单例
public class TestSingleton {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取单例实例
        Singleton singleton = Singleton.INSTANCE;

        // 调用单例的方法
        singleton.someMethod();
    }
}

总结

推荐使用双重检查锁定、静态内部类和枚举方式，它们都能保证线程安全、高效并且实现延迟加载。这些方法不仅解决了线程安全问题，还能在需要时才进行实例化，节约了系统资源。选择哪种实现方式，取决于具体的需求和使用场景。