单例模式（Singleton Pattern）
单例模式也属于创建型模式，难度等级为初级，是Java中最简单和最常见的设计模式之一。由于其常见性，单例模式的实现方法衍生出很多种，不同的实现方式在延迟加载、线程安全、性能上各有千秋，后面我们会在程序代码说明章节中来具体分析。
单例模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。
意图
确保一个类只有一个实例，并提供对它的全局访问点
主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
何时使用：当你想控制实例数目，节省系统资源的时候。
如何解决：判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。
关键代码：构造函数是私有的。
解释
现实世界的例子
只有一座象牙塔可以让巫师们研究他们的魔法。巫师们总是使用同样的魔法象牙塔。这里的象牙塔是单例
简而言之
确保一个特定类永远只创建一个对象实例
维基百科
In software engineering, the singleton pattern is a software design pattern that restricts the instantiation of a class to one object. This is useful when exactly one object is needed to coordinate actions across the system.(在软件工程中，singleton模式是一种软件设计模式，它将类的实例化限制为一个对象。当只需要一个对象来协调整个系统的动作时，这很有用)
程序代码说明
1、懒汉式，线程不安全的
public class Singleton{
private static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
这种方式是最基本的实现方式，但由于其不支持多线程，getInstance方法没有加锁，并发的情况下可能产生多个instance实例，所以严格意义上来说它并不算单例模式，但它做到了Lazy初始化。
这种方式目前已不建议使用
2、懒汉式，线程安全的
以上面巫师们的象牙塔为例子
/**
* Thread-safe Singleton class. The instance is lazily initialized and thus needs synchronization
* mechanism.
*
* Note: if created by reflection then a singleton will not be created but multiple options in the
* same classloader
*/
public final class ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower {
private static ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower instance;
private ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower() {
// protect against instantiation via reflection
if (instance == null) {
instance = this;
} else {
throw new IllegalStateException("Already initialized.");
}
}
/**
* The instance gets created only when it is called for first time. Lazy-loading
*/
public static synchronized ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new ThreadSafeLazyLoadedIvoryTower();
}
return instance;
}
}
这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是由于加了同步锁，效率很低，99%情况下不需要同步。对于getInstance()的性能要求不是很高的应用程序可以考虑使用（该方法使用不频繁）
3、双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）
此方式需在JDK1.4之后，采用双锁机制，安全且在多线程情况下保持了较高的性能。
public final class ThreadSafeDoubleCheckLocking {
private static volatile ThreadSafeDoubleCheckLocking instance;
/**
* private constructor to prevent client from instantiating.
*/
private ThreadSafeDoubleCheckLocking() {
// to prevent instantiating by Reflection call
if (instance != null) {
throw new IllegalStateException("Already initialized.");
}
}
/**
* Public accessor.
*
* @return an instance of the class.
*/
public static ThreadSafeDoubleCheckLocking getInstance() {
// local variable increases performance by 25 percent
// Joshua Bloch "Effective Java, Second Edition", p. 283-284
ThreadSafeDoubleCheckLocking result = instance;
// Check if singleton instance is initialized. If it is initialized then we can return the instance.
if (result == null) {
// It is not initialized but we cannot be sure because some other thread might have initialized it
// in the meanwhile. So to make sure we need to lock on an object to get mutual exclusion.
synchronized (ThreadSafeDoubleCheckLocking.class) {
// Again assign the instance to local variable to check if it was initialized by some other thread
// while current thread was blocked to enter the locked zone. If it was initialized then we can
// return the previously created instance just like the previous null check.
result = instance;
if (result == null) {
// The instance is still not initialized so we can safely (no other thread can enter this zone)
// create an instance and make it our singleton instance.
instance = result = new ThreadSafeDoubleCheckLocking();
}
}
}
return result;
}
}
4、饿汉式
这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象，没有锁机制，执行效率很高，但未实现Lazy初始化。
**
* Singleton class. Eagerly initialized static instance guarantees thread safety.
*/
public final class IvoryTower {
/**
* Private constructor so nobody can instantiate the class.
*/
private IvoryTower() {}
/**
* Static to class instance of the class.
*/
private static final IvoryTower INSTANCE = new IvoryTower();
/**
* To be called by user to obtain instance of the class.
*
* @return instance of the singleton.
*/
public static IvoryTower getInstance() {
return INSTANCE;
}
}
基于classloader机制避免了多线程的同步问题，不过由于IvoryTower类在装载时就已经实例化了，显然没有达到lazy loading的效果。
5、登记式/静态内部类
这种方式可以达到上面第三种双检锁一样的功效，具备了延迟加载和线程安全，且实现简单。
对静态域使用延迟初始化，应使用这种方式而不是双检锁方式。这种方式适用于静态域的情况，双检锁方式可在实例域需要延迟初始化时使用。
public final class InitializingOnDemandHolderIdiom {
/**
* Private constructor.
*/
private InitializingOnDemandHolderIdiom() {}
/**
* @return Singleton instance
*/
public static InitializingOnDemandHolderIdiom getInstance() {
return HelperHolder.INSTANCE;
}
/**
* Provides the lazy-loaded Singleton instance.
*/
private static class HelperHolder {
private static final InitializingOnDemandHolderIdiom INSTANCE =
new InitializingOnDemandHolderIdiom();
}
}
这种方式同样利用了 classloader 机制来保证初始化 instance 时只有一个线程，它跟第 4 种方式不同的是：第 4种方式只要 IvoryTower 类被装载了，那么 instance 就会被实例化（没有达到 lazy loading 效果），而这种方式是 InitializingOnDemandHolderIdiom 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 HelperHolder 类没有被主动使用，只有通过显式调用 getInstance 方法时，才会显式装载 HelperHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以我们想让它延迟加载，这种方式相比第 4 种方式就显得更合理。
此方式对JDK版本也无任何要求，在现在能看到的JDK版本下都支持。
6、枚举
Joshua Bloch, Effective Java 2nd Edition p.18 中提出了使用枚举类来实现单例模式，书中指出这是最好的一种方式来实现单例。
A single-element enum type is the best way to implement a singleton
/**
* Enum based singleton implementation. Effective Java 2nd Edition (Joshua Bloch) p. 18
*
* This implementation is thread safe, however adding any other method and its thread safety
* is developers responsibility.
*/
public enum EnumIvoryTower {
INSTANCE;
public void whateverMethod() {
// .... do something
}
@Override
public String toString() {
return getDeclaringClass().getCanonicalName() + "@" + hashCode();
}
}
然后我们使用它
EnumIvoryTower enumIvoryTower1 = EnumIvoryTower.INSTANCE;
EnumIvoryTower enumIvoryTower2 = EnumIvoryTower.INSTANCE;
assertEquals(enumIvoryTower1, enumIvoryTower2); // true
总结一下：一般情况下，方式1和2不建议使用，在明确不需要实现lazy loading的时候可以优先选择方式4.在需要lazy loading的时候，可以选择方式3和5。如果还涉及到反序列化创建对象时可以使用最佳方式6
应用场景
当遇到如下情况时可考虑使用单例模式：
- 一个类必须只有一个实例，客户端必须可以从众所周知的通道访问它
- 一个单实例应该可以被子类可扩展，并且客户端能够使用扩展实例而无需修改其代码
使用场景
Java中的现实例子
优缺点
优点：
1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。
缺点：
1、没有接口，不能继承，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。
2、通过控制自己的创建和生命周期，违反了单一责任原则SRP(Single Responsibility Principle)
3、创建紧密耦合的代码，单例模式的客户端变得难以测试
写在最后
单例模式的使用在Java应用中是非常普遍的，Spring 管理bean 实例默认配置就是单例模式。
下一章节我将介绍建造者模式（Builder Pattern）
码字不易，各位看官如果喜欢的话，请给点个赞 ️，关注下我，我将努力持续不断的更新
