單例模式相信大家都有所聽聞，甚至也寫過不少了，在面試中也是考得最多的其中一個設計模式，面試官常常會要求寫出兩種類型的單例模式並且解釋其原理，廢話不多說，我們開始學習如何很好地回答這一道面試題吧。
什麼是單例模式
面試官問什麼是單例模式時，千萬不要答非所問，給出單例模式有兩種類型之類的回答，要圍繞單例模式的定義去展開。
單例模式是指在內存中只會創建且僅創建一次對象的設計模式。在程序中多次使用同一個對象且作用相同時，爲了防止頻繁地創建對象使得內存飆升，單例模式可以讓程序僅在內存中創建一個對象，讓所有需要調用的地方都共享這一單例對象。
單例模式的類型
單例模式有兩種類型：
懶漢式：在真正需要使用對象時纔去創建該單例類對象餓漢式：在類加載時已經創建好該單例對象，等待被程序使用
懶漢式創建單例對象
懶漢式創建對象的方法是在程序使用對象前，先判斷該對象是否已經實例化（判空），若已實例化直接返回該類對象。否則則先執行實例化操作。
根據上面的流程圖，就可以寫出下面的這段代碼
public class Singleton {
private static Singleton singleton;
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
}
沒錯，這裏我們已經寫出了一個很不錯的單例模式，不過它不是完美的，但是這並不影響我們使用這個“單例對象”。
以上就是懶漢式創建單例對象的方法，我會在後面解釋這段代碼在哪裏可以優化，存在什麼問題。
餓漢式創建單例對象
餓漢式在類加載時已經創建好該對象，在程序調用時直接返回該單例對象即可，即我們在編碼時就已經指明瞭要馬上創建這個對象，不需要等到被調用時再去創建。
關於類加載，涉及到JVM的內容，我們目前可以簡單認爲在程序啓動時，這個單例對象就已經創建好了。
public class Singleton{
private static final Singleton singleton = new Singleton();
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance() {
return singleton;
}
}
注意上面的代碼在第3行已經實例化好了一個Singleton對象在內存中，不會有多個Singleton對象實例存在
類在加載時會在堆內存中創建一個Singleton對象，當類被卸載時，Singleton對象也隨之消亡了。
懶漢式如何保證只創建一個對象
我們再來回顧懶漢式的核心方法
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
這個方法其實是存在問題的，試想一下，如果兩個線程同時判斷 singleton 爲空，那麼它們都會去實例化一個Singleton 對象，這就變成多例了。所以，我們要解決的是線程安全問題。
最容易想到的解決方法就是在方法上加鎖，或者是對類對象加鎖，程序就會變成下面這個樣子
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
// 或者
public static Singleton getInstance() {
synchronized(Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
return singleton;
}
這樣就規避了兩個線程同時創建Singleton對象的風險，但是引來另外一個問題：每次去獲取對象都需要先獲取鎖，併發性能非常地差，極端情況下，可能會出現卡頓現象。
接下來要做的就是優化性能：目標是如果沒有實例化對象則加鎖創建，如果已經實例化了，則不需要加鎖，直接獲取實例
所以直接在方法上加鎖的方式就被廢掉了，因爲這種方式無論如何都需要先獲取鎖
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) { // 線程A和線程B同時看到singleton = null，如果不爲null，則直接返回singleton
synchronized(Singleton.class) { // 線程A或線程B獲得該鎖進行初始化
if (singleton == null) { // 其中一個線程進入該分支，另外一個線程則不會進入該分支
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
上面的代碼已經完美地解決了併發安全 + 性能低效問題：
- 第 2 行代碼，如果 singleton 不爲空，則直接返回對象，不需要獲取鎖；而如果多個線程發現 singleton 爲空，則進入分支；
- 第 3 行代碼，多個線程嘗試爭搶同一個鎖，只有一個線程爭搶成功，第一個獲取到鎖的線程會再次判斷singleton 是否爲空，因爲 singleton 有可能已經被之前的線程實例化
- 其它之後獲取到鎖的線程在執行到第 4 行校驗代碼，發現 singleton 已經不爲空了，則不會再 new 一個對象，直接返回對象即可
- 之後所有進入該方法的線程都不會去獲取鎖，在第一次判斷 singleton 對象時已經不爲空了
因爲需要兩次判空，且對類對象加鎖，該懶漢式寫法也被稱爲：Double Check（雙重校驗） + Lock（加鎖）
完整的代碼如下所示：
public class Singleton {
private static Singleton singleton;
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) { // 線程A和線程B同時看到singleton = null，如果不爲null，則直接返回singleton
synchronized(Singleton.class) { // 線程A或線程B獲得該鎖進行初始化
if (singleton == null) { // 其中一個線程進入該分支，另外一個線程則不會進入該分支
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
上面這段代碼已經近似完美了，但是還存在最後一個問題：指令重排
使用 volatile 防止指令重排
創建一個對象，在 JVM 中會經過三步：
（1）爲 singleton 分配內存空間
（2）初始化 singleton 對象
（3）將 singleton 指向分配好的內存空間
指令重排序是指：JVM 在保證最終結果正確的情況下，可以不按照程序編碼的順序執行語句，儘可能提高程序的性能
在這三步中，第 2、3 步有可能會發生指令重排現象，創建對象的順序變爲 1-3-2，會導致多個線程獲取對象時，有可能線程 A 創建對象的過程中，執行了 1、3 步驟，線程 B 判斷 singleton 已經不爲空，獲取到未初始化的singleton 對象，就會報 NPE 異常。文字較爲晦澀，可以看流程圖：
使用 volatile 關鍵字可以防止指令重排序，其原理較爲複雜，這篇文章不打算展開，可以這樣理解：使用 volatile 關鍵字修飾的變量，可以保證其指令執行的順序與程序指明的順序一致，不會發生順序變換，這樣在多線程環境下就不會發生 NPE 異常了。
volatile 還有第二個作用：使用 volatile 關鍵字修飾的變量，可以保證其內存可見性，即每一時刻線程讀取到該變量的值都是內存中最新的那個值，線程每次操作該變量都需要先讀取該變量。
最終的代碼如下所示：
public class Singleton {
private static volatile Singleton singleton;
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) { // 線程A和線程B同時看到singleton = null，如果不爲null，則直接返回singleton
synchronized(Singleton.class) { // 線程A或線程B獲得該鎖進行初始化
if (singleton == null) { // 其中一個線程進入該分支，另外一個線程則不會進入該分支
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
破壞懶漢式單例與餓漢式單例
無論是完美的懶漢式還是餓漢式，終究敵不過反射和序列化，它們倆都可以把單例對象破壞掉（產生多個對象）。
利用反射破壞單例模式
下面是一段使用反射破壞單例模式的例子
public static void main(String[] args) {
// 獲取類的顯式構造器
Constructor<Singleton> construct = Singleton.class.getDeclaredConstructor();
// 可訪問私有構造器
construct.setAccessible(true);
// 利用反射構造新對象
Singleton obj1 = construct.newInstance();
// 通過正常方式獲取單例對象
Singleton obj2 = Singleton.getInstance();
System.out.println(obj1 == obj2); // false
}
上述的代碼一針見血了：利用反射，強制訪問類的私有構造器，去創建另一個對象
利用序列化與反序列化破壞單例模式
下面是一種使用序列化和反序列化破壞單例模式的例子
public static void main(String[] args) {
// 創建輸出流
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("Singleton.file"));
// 將單例對象寫到文件中
oos.writeObject(Singleton.getInstance());
// 從文件中讀取單例對象
File file = new File("Singleton.file");
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(file));
Singleton newInstance = (Singleton) ois.readObject();
// 判斷是否是同一個對象
System.out.println(newInstance == Singleton.getInstance()); // false
}
兩個對象地址不相等的原因是：readObject() 方法讀入對象時它必定會返回一個新的對象實例，必然指向新的內存地址。
讓面試官鼓掌的枚舉實現
我們已經掌握了懶漢式與餓漢式的常見寫法了，通常情況下到這裏已經足夠了。但是，追求極致的我們，怎麼能夠止步於此，在《Effective Java》書中，給出了終極解決方法，話不多說，學完下面，真的不虛面試官考你了。
在 JDK 1.5 後，使用 Java 語言實現單例模式的方式又多了一種：枚舉
枚舉實現單例模式完整代碼如下：
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void doSomething() {
System.out.println("這是枚舉類型的單例模式！");
}
}
使用枚舉實現單例模式較其它兩種實現方式的優勢有 3 點，讓我們來細品。
優勢 1 ：一目瞭然的代碼
代碼對比餓漢式與懶漢式來說，更加地簡潔。最少只需要3行代碼，就可以完成一個單例模式：
public enum Test {
INSTANCE;
}
我們從最直觀的地方入手，第一眼看到這3行代碼，就會感覺到少，沒錯，就是少，雖然這優勢有些牽強，但寫的代碼越少，越不容易出錯。
優勢 2：天然的線程安全與單一實例
它不需要做任何額外的操作，就可以保證對象單一性與線程安全性。
我寫了一段測試代碼放在下面，這一段代碼可以證明程序啓動時僅會創建一個 Singleton 對象，且是線程安全的。
我們可以簡單地理解枚舉創建實例的過程：在程序啓動時，會調用 Singleton 的空參構造器，實例化好一個Singleton 對象賦給 INSTANCE，之後再也不會實例化
public enum Singleton {
INSTANCE;
Singleton() { System.out.println("枚舉創建對象了"); }
public static void main(String[] args) { /* test(); */ }
public void test() {
Singleton t1 = Singleton.INSTANCE;
Singleton t2 = Singleton.INSTANCE;
System.out.print("t1和t2的地址是否相同：" + t1 == t2);
}
}
// 枚舉創建對象了
// t1和t2的地址是否相同：true
除了優勢1和優勢2，還有最後一個優勢是 保護單例模式，它使得枚舉在當前的單例模式領域已經是 無懈可擊 了
優勢 3：枚舉保護單例模式不被破壞
使用枚舉可以防止調用者使用反射、序列化與反序列化機制強制生成多個單例對象，破壞單例模式。
防反射
枚舉類默認繼承了 Enum 類，在利用反射調用 newInstance() 時，會判斷該類是否是一個枚舉類，如果是，則拋出異常。
防止反序列化創建多個枚舉對象
在讀入 Singleton 對象時，每個枚舉類型和枚舉名字都是唯一的，所以在序列化時，僅僅只是對枚舉的類型和變量名輸出到文件中，在讀入文件反序列化成對象時，使用 Enum 類的 valueOf(String name) 方法根據變量的名字查找對應的枚舉對象。
所以，在序列化和反序列化的過程中，只是寫出和讀入了枚舉類型和名字，沒有任何關於對象的操作。
小結：
（1）Enum 類內部使用Enum 類型判定防止通過反射創建多個對象
（2）Enum 類通過寫出（讀入）對象類型和枚舉名字將對象序列化（反序列化），通過 valueOf() 方法匹配枚舉名找到內存中的唯一的對象實例，防止通過反序列化構造多個對象
（3）枚舉類不需要關注線程安全、破壞單例和性能問題，因爲其創建對象的時機與餓漢式單例有異曲同工之妙。
總結
（1）單例模式常見的寫法有兩種：懶漢式、餓漢式
（2）懶漢式：在需要用到對象時才實例化對象，正確的實現方式是：Double Check + Lock，解決了併發安全和性能低下問題
（3）餓漢式：在類加載時已經創建好該單例對象，在獲取單例對象時直接返回對象即可，不會存在併發安全和性能問題。
（4）在開發中如果對內存要求非常高，那麼使用懶漢式寫法，可以在特定時候才創建該對象；
（5）如果對內存要求不高使用餓漢式寫法，因爲簡單不易出錯，且沒有任何併發安全和性能問題
（6）爲了防止多線程環境下，因爲指令重排序導致變量報NPE，需要在單例對象上添加 volatile 關鍵字防止指令重排序
（7）最優雅的實現方式是使用枚舉，其代碼精簡，沒有線程安全問題，且 Enum 類內部防止反射和反序列化時破壞單例。
