【创建型设计模式】单例模式

这篇博客接下来几篇都将阐述设计模式相关内容。

接下来的顺序大概是：单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、建造者模式、原型模式。

一、什么是单例模式

单例模式是一种创建型设计模式，它保证一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点。

核心思想：

1. 限制类的实例化次数，确保全局只有一个实例。
2. 提供统一访问该实例的方法。

Client 为客户端，Singleton 是单例类，通过调用 Singleton.getInstance() 来获取实例对象。

二、单例模式的 6 种方法

(1) 饿汉模式

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

特点：

• 初始化时间： 类加载时即完成实例化。
• 访问效率： 调用 getInstance 时无需等待，性能高。

优点：

• 基于类加载机制，天然线程安全。
• 实现简单，适用于单例对象较少被频繁初始化的场景。

缺点：

• 无法延迟加载，如果实例从未被使用，会浪费内存。

(2) 懒汉模式（线程不安全）

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

特点：

• 初始化时间： 第一次调用时才实例化。
• 访问效率： 多线程环境下存在问题，可能生成多个实例。

优点： 延迟加载，节省资源。

缺点： 线程不安全，多个线程同时调用可能创建多个实例，导致单例失效。

(3) 懒汉模式（线程安全）

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

特点：

• 线程安全性： 使用 synchronized 关键字确保多线程下只生成一个实例。

优点： 在多线程环境中保证安全。

缺点： 同步锁导致性能下降，每次调用 getInstance 都需排队，影响效率。

(4) 双重检查模式（DCL）

public class Singleton {
    // 1. 声明 volatile 修饰的静态实例变量
    private static volatile Singleton instance;
    
    // 2. 私有化构造方法，防止外部直接实例化
    private Singleton() {}

    // 3. 提供对外获取实例的静态方法
    public static Singleton getInstance() {
        // 第一次检查：避免不必要的同步
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) { // 加锁
                // 第二次检查：确保实例未被其他线程创建
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

特点：

• 性能优化： 减少同步开销。
• 线程安全： 使用 volatile 避免指令重排序，确保多线程环境下正确创建实例。

优点： 资源利用率高，延迟初始化，线程安全，性能优于懒汉模式（线程安全版）。

缺点： 实现复杂，某些情况下可能出现 DCL 失效问题（如旧版 JVM）。

DCL 模式的核心思想

DCL 的核心是两次检查和同步锁的结合。

**第一次检查（if (instance == null)）：**在大多数情况下，实例已经被初始化，可以直接返回，不需要加锁。减少了不必要的同步，提高性能。

**加锁（synchronized）：**在实例尚未初始化时，进入临界区，防止多个线程同时创建实例。

**第二次检查（if (instance == null)）：**加锁后，再次检查实例是否为 null，防止多个线程同时通过第一次检查，确保单例对象只被创建一次。

**volatile 关键字：**确保 instance 的修改对所有线程立即可见，防止指令重排序导致未完全初始化的对象被其他线程访问。

为什么需要 volatile？

问题：指令重排序

在没有 volatile 修饰时，JVM 编译器和 CPU 可能对以下代码进行优化：

instance = new Singleton();

这一行代码可能被分解为以下三步：

1. 为对象分配内存。
2. 初始化对象。
3. 将对象引用赋值给 instance。

但实际执行中，可能发生指令重排序：

1. 为对象分配内存。
2. 将对象引用赋值给 instance。
3. 初始化对象。

如果线程 A 在步骤 2 后被切换，线程 B 进入并访问了 instance，此时会得到一个未初始化的对象，导致程序行为不可预期。

解决方法：volatile 关键字禁止指令重排序，确保对象初始化完成后才将引用赋值给 instance。

(5) 静态内部类单例模式

public class Singleton {

    // 私有化构造方法，防止外部实例化
    private Singleton() {}

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

    // 提供全局访问点，返回静态内部类中的单例实例
    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

特点：

• 延迟加载： 第一次调用 getInstance 时才加载内部类，完成实例化。
• 线程安全： 内部类加载机制天然线程安全。

优点：

• 实现简单，避免同步开销。
• 兼具延迟加载和线程安全，推荐使用。

缺点： 无法控制实例销毁，适用单例生命周期较长的场景。

静态内部类的加载时机：

在 Java 中，类的加载是延迟的，只有在被真正使用时才会加载静态内部类。

主类被加载时，静态内部类不会被加载。

只有在调用静态内部类中的成员时，静态内部类才会被加载。

类加载的线程安全性：

JVM 在加载类时会自动保证线程安全。

静态变量 INSTANCE 只会被初始化一次。

(6) 枚举单例

public enum Singleton {
    INSTANCE; // 枚举单例的唯一实例

    // 单例类的其他方法
    public void doSomething() {
        System.out.println("Singleton instance is working!");
    }
}

特点：

• 线程安全： 枚举的线程安全由 JVM 保证。
• 防反序列化破坏： 默认枚举实例不可反序列化。

优点：

• 实现简单，天生线程安全。
• 避免反序列化和反射破坏单例。

缺点：

• 不支持延迟加载。
• 某些场景下（如需要灵活实例化控制）不适用。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.INSTANCE;
        instance.doSomething();
    }
}

为什么枚举单例是线程安全的？

**JVM 保证：**枚举类型在类加载时会由 JVM 初始化，类加载过程是线程安全的。

**枚举的单一实例特性：**枚举中的每个实例在加载时被自动创建，并且不可被外部修改。

三、单例实现对比