公號：碼農充電站pro
主頁：https://codeshellme.github.io
當我們需要使得某個類只能有一個例項時，可以使用單例模式。
單例模式（Singleton Design Pattern）保證一個類只能有一個例項，並提供一個全域性訪問點。
單例模式的實現需要三個必要的條件：
- 單例類的建構函式必須是私有的，這樣才能將類的建立權控制在類的內部，從而使得類的外部不能建立類的例項。
- 單例類通過一個私有的靜態變數來儲存其唯一例項。
- 單例類通過提供一個公開的靜態方法，使得外部使用者可以訪問類的唯一例項。
注意：
因為單例類的建構函式是私有的，所以單例類不能被繼承。
另外，實現單例類時，還需要考慮三個問題：
- 建立單例物件時，是否執行緒安全。
- 單例物件的建立，是否延時載入。
- 獲取單例物件時，是否需要加鎖（鎖會導致低效能）。
下面介紹五種實現單例模式的方式。
1，餓漢式
餓漢式的單例實現比較簡單，其在類載入的時候，靜態例項instance 就已建立並初始化好了。
程式碼如下：
public class Singleton {
private static final Singleton instance = new Singleton();
private Singleton () {}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
}
餓漢式單例優缺點：
- 優點：
- 單例物件的建立是執行緒安全的；
- 獲取單例物件時不需要加鎖。
- 缺點：單例物件的建立，不是延時載入。
一般認為延時載入可以節省記憶體資源。但是延時載入是不是真正的好，要看實際的應用場景，而不一定所有的應用場景都需要延時載入。
2，懶漢式
與餓漢式對應的是懶漢式，懶漢式為了支援延時載入，將物件的建立延遲到了獲取物件的時候，但為了執行緒安全，不得不為獲取物件的操作加鎖，這就導致了低效能。
並且這把鎖只有在第一次建立物件時有用，而之後每次獲取物件，這把鎖都是一個累贅（雙重檢測對此進行了改進）。
程式碼如下：
public class Singleton {
private static final Singleton instance;
private Singleton () {}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
懶漢式單例優缺點：
- 優點：
- 物件的建立是執行緒安全的。
- 支援延時載入。
- 缺點：獲取物件的操作被加上了鎖，影響了併發度。
- 如果單例物件需要頻繁使用，那這個缺點就是無法接受的。
- 如果單例物件不需要頻繁使用，那這個缺點也無傷大雅。
3，雙重檢測
餓漢式和懶漢式的單例都有缺點，雙重檢測的實現方式解決了這兩者的缺點。
雙重檢測將懶漢式中的 synchronized 方法改成了 synchronized 程式碼塊。如下：
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton () {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized(Singleton.class) { // 注意這裡是類級別的鎖
if (instance == null) { // 這裡的檢測避免多執行緒併發時多次建立物件
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
這種實現方式在 Java 1.4 及更早的版本中有些問題，就是指令重排序，可能會導致 Singleton 物件被 new 出來，並且賦值給 instance 之後，還沒來得及初始化，就被另一個執行緒使用了。
要解決這個問題，需要給 instance 成員變數加上 volatile 關鍵字，從而禁止指令重排序。
而高版本的 Java 已在 JDK 內部解決了這個問題，所以高版本的 Java 不需要關注這個問題。
雙重檢測單例優點：
- 物件的建立是執行緒安全的。
- 支援延時載入。
- 獲取物件時不需要加鎖。
4，靜態內部類
用靜態內部類的方式實現單例類，利用了Java 靜態內部類的特性：
- Java 載入外部類的時候，不會建立內部類的例項，只有在外部類使用到內部類的時候才會建立內部類例項。
程式碼如下：
public class Singleton {
private Singleton () {}
private static class SingletonInner {
private static final Singleton instance = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return SingletonInner.instance;
}
}
SingletonInner 是一個靜態內部類，當外部類 Singleton 被載入的時候，並不會建立 SingletonInner 例項物件。
只有當呼叫 getInstance() 方法時，SingletonInner 才會被載入，這個時候才會建立 instance。instance 的唯一性、建立過程的執行緒安全性，都由 JVM 來保證。
靜態內部類單例優點：
- 物件的建立是執行緒安全的。
- 支援延時載入。
- 獲取物件時不需要加鎖。
5，列舉
用列舉來實現單例，是最簡單的方式。這種實現方式通過 Java 列舉型別本身的特性，保證了例項建立的執行緒安全性和例項的唯一性。
public enum Singleton {
INSTANCE; // 該物件全域性唯一
}
6，多例模式
上面介紹了5 種單例模式的實現方式，下面作為對單例模式的擴充套件，再來介紹一下多例模式以及執行緒間唯一的單例模式。先來看下多例模式。
單例模式是指，一個類只能建立一個物件。那麼多例模式就是，一個類可以建立多個物件，但是物件個數可以控制。
對於多例模式，我們可以將類的例項都編上號，然後將例項存放在一個 Map 中。
程式碼如下：
public class MultiInstance {
// 例項編號
private long instanceNum;
// 用於存放例項
private static final Map<Long, MultiInstance> ins = new HashMap<>();
static {
// 存放 3 個例項
ins.put(1L, new MultiInstance(1));
ins.put(2L, new MultiInstance(2));
ins.put(3L, new MultiInstance(3));
}
private MultiInstance(long n) {
this.instanceNum = n;
}
public MultiInstance getInstance(long n) {
return ins.get(n);
}
}
實際上，Java 中的列舉就是一個“天然”的多例模式，其中的每一項代表一個例項，如下：
public enum MultiInstance {
ONE,
TWO,
THREE;
}
7，執行緒唯一的單例
一般情況下，我們所說的單例的作用範圍是程式唯一的，就是在一個程式範圍內，一個類只允許建立一個物件，程式內的多個執行緒之間也是共享同一個例項。
實際上，在Java 中，每個類載入器都定義了一個名稱空間。所以我們這裡實現的單例是依賴類載入器的，也就是在同一個類載入器中，我們實現的單例就是真正的單例模式。否則如果有多個類載入器，就會有多個單例出現了。一個解決辦法是：自行指定類載入器，並且指定同一個類載入器。
那麼執行緒唯一的單例就是，一個例項只能被一個執行緒擁有，一個程式內的多個執行緒擁有不同的類例項。
我們同樣可以用 Map 來實現，程式碼如下：
public class ThreadSingleton {
private static final ConcurrentHashMap<Long, ThreadSingleton> instances
= new ConcurrentHashMap<>();
private ThreadSingleton() {}
public static ThreadSingleton getInstance() {
Long id = Thread.currentThread().getId();
instances.putIfAbsent(id, new ThreadSingleton());
return instances.get(id);
}
}
8，使用場景
單例模式可以用來管理一些共享資源，比如資料庫連線池，執行緒池；解決資源衝突問題，比如日誌列印。節省記憶體空間，比如配置資訊類。
（本節完。）
推薦閱讀：
歡迎關注作者公眾號，獲取更多技術乾貨。
