單例模式的7種實現總結

單例模式介紹

單例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最簡單、最常用的設計模式之一。單例模式提供了一種在多線程環境下保證實例唯一性的解決方案。即：對象一經初始化，後需可以直接訪問，不需要再次實例化該類的對象。屬於設計模式三大類中的創建型模式。在Java中，一般常用在工具類的實現、對象創建開銷較大的情景下。
單例模式具有典型的三個特點：

單例類只能有一個實例。
單例類必須自己創建自己的唯一實例。（自我實例化）
單例類必須給所有其他對象提供這一實例。（提供全局訪問點）

單例模式雖然比較簡單，但實現方式卻多種多樣，本篇列舉了7種實現方式，並從線程安全、高性能、懶加載三個維度對其進行評估，比較其優劣。

一、餓漢式

餓漢模式，顧名思義，就是採用靜態初始化的方式在類被加載時就將自身實例化，所以被形象地稱之爲餓漢式單例模式。

// final不允許被繼承
public final class HungrySingleton {
	//類的成員變量(一般類都有成員變量)
	private byte[] data = new byte[1024];
	//第一步:私有化構造器，不允許外部new操作
	private HungrySingleton(){	
	}
	//第二步:在類初始化時立即實例化該對象,從而保證線程安全
	private static HungrySingleton instance = new HungrySingleton();
	//第三步:提供一個獲取全局訪問點的方法
	public static HungrySingleton getInstance() {
		return instance;
	}
	//other methods
}

餓漢式把instance作爲"類變量"並且直接初始化，當主動使用Singleton 類時會完成instance的創建，包括其中的實例變量都會得到初始化，比如上例中的data數組將被創建並佔用1K的空間。如果instance被ClassLoader加載後很長一段時間才被使用，那就意味着instance實例所開闢的堆內存會駐留更久的時間，如果一個類的成員佔用的內存資源較多，那麼採用餓漢式就有些不妥。

總結

線程安全。
getInstance方法的性能比較高。
無法進行懶加載。

注意：上面代碼中有使用final關鍵字，強制該類不允許被繼承。若父類所有的構造器都是私有的(private修飾)，那麼JVM規定該父類不允許被繼承，因爲子類的構造器都必須顯示或隱式調用父類的構造器。此時可以不使用final關鍵字聲明。

JDK餓漢式單例舉例：

二、懶漢式

懶漢式就是在第一次使用類實例的時候再去創建，和餓漢式在類初始化時就提前創建實例不同，所以就被稱爲懶漢式單例模式。

//final不允許被繼承
public final class LazySingleton {
	//類的成員變量(一般類都有成員變量)
	private byte[] data = new byte[1024];
	// 未實例化的類變量
	private static LazySingleton instance = null;
	// 私有化構造器
	private LazySingleton() {
    }
	// 運行時加載對象
	public static LazySingleton getInstance() {
		//判斷是否已經初始化過(沒有同步機制控制，多線程不安全)
		if (instance == null) {
			instance = new LazySingleton();
		}
		return instance;
	}
	//other methods
}

總結

線程不安全。instance是共享資源，當多個線程對其訪問時需要保證共享資源的同步性，因此線程不安全，無法保證單例的唯一性。（更加具體的原因不攤開說明了）
性能和懶加載，就不討論了，因爲這種方法本身就不正確。

三、懶漢式+synchronized同步

上述的懶漢式保證了實例的懶加載，但無法保證實例的唯一性，需要增加對共享資源instance的同步訪問機制，可以採用synchronized關鍵字實現。

//final不允許被繼承
public final class LazySingleton {
	//類的成員變量(一般類都有成員變量)
	private byte[] data = new byte[1024];
	// 未實例化的類變量
	private static LazySingleton instance = null;
	// 私有化構造器
	private LazySingleton() {
    }
	// 運行時加載對象(增加了synchronized，每次只能有一個線程能夠進入)
	public static synchronized LazySingleton getInstance() {
		//判斷是否已經初始化過(沒有同步機制控制，多線程不安全)
		if (instance == null) {
			instance = new LazySingleton();
		}
		return instance;
	}
	//other methods
}

總結

線程安全，能夠保證實例的唯一性；
getInstance方法採用synchronized關鍵字所以性能較低
懶加載。

四、Double-Check式(注意有坑)

Double-Check的方式是一種更加高效的數據同步策略，只有首次初始化時才加鎖，之後多個線程獲取實例時都無需同步控制。

// final不允許被繼承
public final class LazySingleton {
	//類的成員變量(一般類都有成員變量)
	private byte[] data = new byte[1024];
	// 未實例化的類變量
	private static LazySingleton instance = null;
	// 私有化構造器
	private LazySingleton() {
	}

	public static LazySingleton getSingleton() {
		// 若instance不爲null，則不用獲取鎖，提升了效率
		if (instance == null) {
			//同步加鎖是爲了線程安全,確保只有一個線程創建實例
			synchronized (LazySingleton.class) {
				//再次判空是爲了保證單例對象的唯一性，只有沒被創建纔去創建
				if (instance == null) {
					instance = new LazySingleton();
				}
			}
		}
		return instance;
	}
	//other methods
}

當兩個線程同時發現instance == null成立時，只有一個線程有資格進入synchronized同步代碼塊完成instance的實例化，隨後的線程進入synchronized同步代碼塊後發現instance == null不成立則無需再次實例化，以後對getSingleton方法的訪問也不需要執行synchronized同步代碼塊，大大提升了性能。滿足懶加載、線程安全、高性能這三個標準，一切看起來很完美。但這種方式在多線程環境下可能會導致空指針異常，原因如下。

首先，我們要理解new LazySingleton()做了什麼，詳細的介紹請查看《java new一個對象的過程中發生了什麼》。本篇簡單介紹new一個對象需要的4個步驟，如下：

看class對象是否加載，如果沒有就先加載class對象。(加載)
爲類的靜態變量分配內存空間併爲其初始化默認值(連接階段)，爲靜態變量賦予正確的初始值(初始化階段)。
調用構造函數。(單例比較複雜時，有很多的成員變量需要初始化)
返回地址給引用。

然後，cpu爲了優化程序，可能會進行指令重排序，打亂這3，4這幾個步驟，導致實例內存還沒分配(或是隻實例化了部分成員變量)，就被使用了，導致空指針。下面舉例：

線程A執行到new LazySingleton()，開始初始化實例對象，由於存在指令重排序，先執行步驟4，先把引用instance賦值了，此時還沒有執行構造函數(或執行還未完成，只實例化了部分成員變量)，這時CPU時間片耗盡，切換到線程B執行，線程B調用new LazySingleton()方法，發現instance == null不成立，就直接返回引用地址了，然後線程B執行了一些操作，就可能導致線程B使用了還沒有被初始化的變量，報空指針錯誤。

五、Volatile + Double-Check式（最終版）

Double-Check是一種巧妙的設計，但由於JVM在運行new LazySingleton()時可能對指令重排序，導致空指針異常。而volatile關鍵字可以防止重排序，因此還需要對Double-Check方式稍加修改。關於volatile關鍵字的用法，可參考另一篇博文《深入理解volatile關鍵字》。

// 加volatile 修飾
private static volatile LazySingleton instance = null;

至此，就有了一個線程安全、高性能、懶加載版本的雙重檢查加鎖式單例模式。但這種寫法對於初學者很棘手，一下子很難理解。

六、Holder式

直接上代碼，然後給出說明。

// 不允許被繼承
public final class HolderSingleton {
	// 類的成員變量
	private byte[] data = new byte[1024];
	// 私有化構造器
	private HolderSingleton() {
	}
	// 靜態內部類 Holder中持有實例instance
	private static class Holder{
		private static HolderSingleton instance = new HolderSingleton();
	}
	// 調用getSingleton，返回Holder的instance類屬性
	public static HolderSingleton getSingleton() {
		return Holder.instance;
	}
	//other methods
}

這種方式利用了類加載的特點。HolderSingleton 類中沒有持有靜態的instance實例，而是放在靜態內部類Holder中，該方式仍然需要私有化構造器。當Holder被主動引用時(懶加載)會創建HolderSingleton 的實例，JVM保證實例的唯一性，性能高。是目前廣泛採用的一種單例設計。

七、枚舉式

八、防止反射/反序列化攻擊單例類

上面的單例實現方式中，除了枚舉類型外，其他的實現方式是可以被JAVA的反射機制攻擊的。享有特權的客戶端可以藉助AccessibleObject.setAccessible方法通過反射機制調用私有構造器，如果需要抵禦這種攻擊，可以修改構造器，讓它的被要求創建第二個實例的時候拋出一個異常。具體方式請參考《如何防止JAVA反射對單例類的攻擊？》《設計模式——單例模式》

單例模式的7種實現總結

目錄

單例模式介紹

一、餓漢式

二、懶漢式

三、懶漢式+synchronized同步

四、Double-Check式(注意有坑)

五、Volatile + Double-Check式（最終版）

六、Holder式

七、枚舉式

八、防止反射/反序列化攻擊單例類

參考資料

SQL優化-20231016

《程序員的職業素養》結束篇——協作、團隊和成長

《程序員的職業素養》二——說“不”

面經——2019求職修行記

單例模式的7種實現總結

《架構即未來》筆記1——概述全書內容

https://yachay.unat.edu.pe/blog/index.php?comment_area=format_blog&comment_component=blog&comment_co

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