设计模式---单例模式

单例模式：确保一个类只有一个实例，并提供该实例的全局访问点, 本文介绍6中常用的实现方式

懒汉式-线程不安全

以下实现中，私有静态变量 uniqueInstance 被延迟实例化，这样做的好处是，如果没有用到该类，那么就不会实例化 uniqueInstance，从而节约资源。

这个实现在多线程环境下是不安全的，如果多个线程能够同时进入 if (uniqueInstance == null) ，并且此时 uniqueInstance 为 null，那么会有多个线程执行 uniqueInstance = new Singleton(); 语句，这将导致多次实例化 uniqueInstance。

java">public class Singleton {private static Singleton uniqueInstance;private Singleton() {}public static Singleton getUniqueInstance() {if (uniqueInstance == null) {uniqueInstance = new Singleton();}return uniqueInstance;}
}

饿汉式-线程安全

线程不安全问题主要是由于 uniqueInstance 被多次实例化，采取直接实例化 uniqueInstance 的方式就不会产生线程不安全问题。

但是直接实例化的方式也丢失了延迟实例化带来的节约资源的好处。

java">private static Singleton uniqueInstance = new Singleton();

懒汉式-线程安全

只需要对 getUniqueInstance() 方法加锁，那么在一个时间点只能有一个线程能够进入该方法，从而避免了多次实例化 uniqueInstance 的问题。

但是当一个线程进入该方法之后，其它试图进入该方法的线程都必须等待，因此性能上有一定的损耗。

java">public static synchronized Singleton getUniqueInstance() {if (uniqueInstance == null) {uniqueInstance = new Singleton();}return uniqueInstance;
}

双重校验锁-线程安全

uniqueInstance 只需要被实例化一次，之后就可以直接使用了。加锁操作只需要对实例化那部分的代码进行，只有当 uniqueInstance 没有被实例化时，才需要进行加锁。

双重校验锁先判断 uniqueInstance 是否已经被实例化，如果没有被实例化，那么才对实例化语句进行加锁。

java">public class Singleton {private volatile static Singleton uniqueInstance;private Singleton() {}public static Singleton getUniqueInstance() {if (uniqueInstance == null) {synchronized (Singleton.class) {if (uniqueInstance == null) {uniqueInstance = new Singleton();}}}return uniqueInstance;}
}

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。在 uniqueInstance == null 的情况下，如果两个线程同时执行 if 语句，那么两个线程就会同时进入 if 语句块内。虽然在 if 语句块内有加锁操作，但是两个线程都会执行 uniqueInstance = new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化，从而产生了两个实例。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句。

java">if (uniqueInstance == null) {synchronized (Singleton.class) {uniqueInstance = new Singleton();}
}

uniqueInstance 采用 volatile 关键字修饰也是很有必要的。uniqueInstance = new Singleton(); 这段代码其实是分为三步执行。

分配内存空间
初始化对象
将 uniqueInstance 指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，有可能执行顺序变为了 1>3>2，这在单线程情况下自然是没有问题。但如果是多线程下，有可能获得是一个还没有被初始化的实例，以致于程序出错。

使用 volatile 可以禁止 JVM 的指令重排，保证在多线程环境下也能正常运行。

静态内部类实现

当 Singleton 类加载时，静态内部类 SingletonHolder 没有被加载进内存。只有当调用 getUniqueInstance() 方法从而触发 SingletonHolder.INSTANCE 时 SingletonHolder 才会被加载，此时初始化 INSTANCE 实例。

这种方式不仅具有延迟初始化的好处，而且由虚拟机提供了对线程安全的支持。

java">public class Singleton {private Singleton() {}private static class SingletonHolder {private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();}public static Singleton getUniqueInstance() {return SingletonHolder.INSTANCE;}
}

枚举实现

这是单例模式的最佳实践，它实现简单，并且在面对复杂的序列化或者反射攻击的时候，能够防止实例化多次。

java">public enum Singleton {INSTANCE;
}

考虑以下单例模式的实现，该 Singleton 在每次序列化的时候都会创建一个新的实例，为了保证只创建一个实例，必须声明所有字段都是 transient，并且提供一个 readResolve() 方法。

java">public class Singleton_Enum{public static void main(String[] args) {// 获取Singleton的唯一实例Singleton singleton1 = Singleton.INSTANCE;Singleton singleton2 = Singleton.INSTANCE;System.out.println(singleton1 == singleton2);//true}
}

如果不使用枚举来实现单例模式，会出现反射攻击，因为通过 setAccessible() 方法可以将私有构造函数的访问级别设置为 public，然后调用构造函数从而实例化对象。如果要防止这种攻击，需要在构造函数中添加防止实例化第二个对象的代码。

从上面的讨论可以看出，解决序列化和反射攻击很麻烦，而枚举实现不会出现这两种问题，所以说枚举实现单例模式是最佳实践。

CAS自旋单例

到目前为止，前面已经叙述了六种不同的单例实现方式，可上面的方式，多少都有直接或间接的了synchronized的保障线程安全，为什么这么说呢？比如前面的饿汉式、枚举、静态内部类，本质都是借助类加载的时候来初始化单例对象，即依赖于ClassLoader的线程安全机制。

如果对类加载机制比较熟悉的小伙伴应该知道，ClassLoader的线程安全机制依赖于synchronized实现，如下：

在类加载的源码中，第一行代码就是synchronized关键字，因此，除非被重写loadClass()方法，否则默认在类加载过程中都会依赖synchronized保障线程安全。那么如果不依赖于synchronized，又该如何实现一个线程安全的单例呢？

其实在《并发编程专栏》中提到过一种保证线程安全的无锁机制，即CAS结合自旋的乐观锁策略。

这种无锁机制，当出现多条线程同时更新同一个变量时，也能保证只会有一个线程能成功更新变量的值。至于更新失败的线程也不会被挂起，而是被告知这次更新失败，可以再次尝试更新，对应实现的单例代码如下：

java">public class CasSingleton {/** 原子引用类型* */private static final AtomicReference<CasSingleton> INSTANCE = new AtomicReference<CasSingleton>();/** 私有化构造函数* */private CasSingleton() {}/** 公开化获取单例方法* */public static CasSingleton getInstance() {// 开启自旋for (; ;) {// 获取原子引用中的单例对象CasSingleton singleton = INSTANCE.get();// 如果单例对象已经被创建，则直接返回获取到的单例对象if (null != singleton) {return singleton;}// 如果原子引用中的单例对象还未被初始化，则创建一个对象放进去singleton = new CasSingleton();if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {return singleton;}}}
}