Java单例模式(Singleton)以及实现

一. 什么是单例模式

因程序需要，有时我们只需要某个类同时保留一个对象，不希望有更多对象，此时，我们则应考虑单例模式的设计。

二. 单例模式的特点

1. 单例模式只能有一个实例。

2. 单例类必须创建自己的唯一实例。

3. 单例类必须向其他对象提供这一实例。

三. 单例模式VS静态类

在知道了什么是单例模式后，我想你一定会想到静态类，“既然只使用一个对象，为何不干脆使用静态类？”，这里我会将单例模式和静态类进行一个比较。

1. 单例可以继承和被继承，方法可以被override，而静态方法不可以。

2. 静态方法中产生的对象会在执行后被释放，进而被GC清理，不会一直存在于内存中。

3. 静态类会在第一次运行时初始化，单例模式可以有其他的选择，即可以延迟加载。

4. 基于2， 3条，由于单例对象往往存在于DAO层（例如sessionFactory），如果反复的初始化和释放，则会占用很多资源，而使用单例模式将其常驻于内存可以更加节约资源。

5. 静态方法有更高的访问效率。

6. 单例模式很容易被测试。

几个关于静态类的误解：

误解一：静态方法常驻内存而实例方法不是。

实际上，特殊编写的实例方法可以常驻内存，而静态方法需要不断初始化和释放。

误解二：静态方法在堆(heap)上，实例方法在栈(stack)上。

实际上，都是加载到特殊的不可写的代码内存区域中。

静态类和单例模式情景的选择：

情景一：不需要维持任何状态，仅仅用于全局访问，此时更适合使用静态类。

情景二：需要维持一些特定的状态，此时更适合使用单例模式。

四. 单例模式的实现

1. 线程安全的懒汉模式

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

这种写法被称为“双重检查锁”，顾名思义，就是在getSingleton()方法中，进行两次null检查。看似多此一举，但实际上却极大提升了并发度，进而提升了性能。为什么可以提高并发度呢？就像上文说的，在单例中new的情况非常少，绝大多数都是可以并行的读操作。因此在加锁前多进行一次null检查就可以减少绝大多数的加锁操作，执行效率提高的目的也就达到了。

那么，这种写法是不是绝对安全呢？前面说了，从语义角度来看，并没有什么问题。但是其实还是有坑。说这个坑之前我们要先来看看volatile这个关键字。其实这个关键字有两层语义。第一层语义相信大家都比较熟悉，就是可见性。可见性指的是在一个线程中对该变量的修改会马上由工作内存（Work Memory）写回主内存（Main Memory），所以会马上反应在其它线程的读取操作中。顺便一提，工作内存和主内存可以近似理解为实际电脑中的高速缓存和主存，工作内存是线程独享的，主存是线程共享的。volatile的第二层语义是禁止指令重排序优化。大家知道我们写的代码（尤其是多线程代码），由于编译器优化，在实际执行的时候可能与我们编写的顺序不同。编译器只保证程序执行结果与源代码相同，却不保证实际指令的顺序与源代码相同。这在单线程看起来没什么问题，然而一旦引入多线程，这种乱序就可能导致严重问题。volatile关键字就可以从语义上解决这个问题。

注意，前面反复提到“从语义上讲是没有问题的”，但是很不幸，禁止指令重排优化这条语义直到jdk1.5以后才能正确工作。此前的JDK中即使将变量声明为volatile也无法完全避免重排序所导致的问题。所以，在jdk1.5版本前，双重检查锁形式的单例模式是无法保证线程安全的。

2. 饿汉模式

public class SingletonDemo {
    private static SingletonDemo instance=new SingletonDemo();
    private SingletonDemo(){

    }
    public static SingletonDemo getInstance(){
        return instance;
    }
}

直接在运行这个类的时候进行一次loading，之后直接访问。显然，这种方法没有起到lazy loading的效果，考虑到前面提到的和静态类的对比，这种方法只比静态类多了一个内存常驻而已。

3. 静态类内部加载

public class SingletonDemo {
    private static class SingletonHolder{
        private static SingletonDemo instance=new SingletonDemo();
    }
    private SingletonDemo(){
        System.out.println("Singleton has loaded");
    }
    public static SingletonDemo getInstance(){
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

使用内部类的好处是，静态内部类不会在单例加载时就加载，而是在调用getInstance()方法时才进行加载，达到了类似懒汉模式的效果，而这种方法又是线程安全的。

4. 枚举方法

enum SingletonDemo{
    INSTANCE;
    public void otherMethods(){
        System.out.println("Something");
    }
}

如果我们想调用它的方法时，仅需要以下操作：

public class Hello {
    public static void main(String[] args){
        SingletonDemo.INSTANCE.otherMethods();
    }
}

参考资料

《Effective Java（第二版）》
《深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践（第二版）》