概述

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。
这种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的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

  1. 单例类只能有一个实例。
  2. 单例类必须自己创建自己的唯一实例。
  3. 单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

意图：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
主要解决：一个全局使用的类频繁地创建与销毁。
何时使用：当您想控制实例数目，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。
应用实例：

  1. 一个班级只有一个班主任。
  2. Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
  3. 一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

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：没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，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。

使用场景：

  1. 要求生产唯一序列号。
  2. WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
  3. 创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

注意事项：getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

实现
创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。
SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。

  1. public class SingleObject {
  3.    //创建 SingleObject 的一个对象
  4.    private static SingleObject instance = new SingleObject();
  6.    //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
  7.    private SingleObject(){}
  9.    //获取唯一可用的对象
  10.    public static SingleObject getInstance(){
  11.       return instance;
  12.    }
  14.    public void showMessage(){
  15.       System.out.println("Hello World!");
  16.    }
  17. }
  19. public class SingletonPatternDemo {
  20.    public static void main(String[] args) {
  22.       //不合法的构造函数
  23.       //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
  24.       //SingleObject object = new SingleObject();
  26.       //获取唯一可用的对象
  27.       SingleObject object = SingleObject.getInstance();
  29.       //显示消息
  30.       object.showMessage();
  31.    }
  32. }

单例模式的实现方式

懒汉式，线程不安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：否
实现难度：易
描述：这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。

  1. public class Singleton {  
  2.     private static Singleton instance;  
  3.     private Singleton (){}  
  5.     public static Singleton getInstance() {  
  6.         if (instance == null) {  
  7.             instance = new Singleton();  
  8.         }  
  9.         return instance;  
  10.     }  
  11. }

懒汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：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，效率很低，99% 情况下不需要同步。
优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。

  1. public class Singleton {  
  2.     private static Singleton instance;  
  3.     private Singleton (){}  
  4.     public static synchronized Singleton getInstance() {  
  5.         if (instance == null) {  
  6.             instance = new Singleton();  
  7.         }  
  8.         return instance;  
  9.     }  
  10. }

饿汉式，线程安全

是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
优点：没有加锁，执行效率会提高。
缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

  1. public class Singleton {  
  2.     private static Singleton instance = new Singleton();  
  3.     private Singleton (){}  
  4.     public static Singleton getInstance() {  
  5.         return instance;  
  6.     }  
  7. }

双检锁/双重校验锁

（DCL，即 double-checked locking）
JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：较复杂
描述：这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
getInstance() 的性能对应用程序很关键。

  1. public class Singleton {  
  2.     private volatile static Singleton singleton;  
  3.     private Singleton (){}  
  4.     public static Singleton getSingleton() {  
  5.         if (singleton == null) {  
  6.             synchronized (Singleton.class) {  
  7.                 if (singleton == null) {  
  8.                     singleton = new Singleton();  
  9.                 }  
  10.             }  
  11.         }  
  12.         return singleton;  
  13.     }  
  14. }

考虑下面的实现，也就是只使用了一个 if 语句。
在 singleton== null 的情况下，如果两个线程都执行了 if 语句，那么两个线程都会进入 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 singleton= new Singleton(); 这条语句，只是先后的问题，那么就会进行两次实例化。因此必须使用双重校验锁，也就是需要使用两个 if 语句。

  1. if (singleton == null) {
  2.     synchronized (Singleton.class) {
  3.         uniqueInstance = new Singleton();
  4.     }
  5. }

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

  1. 为 singleton分配内存空间
  2. 初始化 singleton
  3. 将 singleton指向分配的内存地址

但是由于 JVM 具有指令重排的特性，执行顺序有可能变成 1>3>2。指令重排在单线程环境下不会出现问题，但是在多线程环境下会导致一个线程获得还没有初始化的实例。
例如，线程 T1 执行了 1 和 3，此时 T2 调用 getSingleton() 后发现 singleton不为空，因此返回 singleton，但此时 singleton还未被初始化。

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。

登记式/静态内部类

是否 Lazy 初始化：是
是否多线程安全：是
实现难度：一般
描述：这种方式能达到双检锁方式一样的功效，但实现更简单。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。这种方式只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。
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 3 种方式不同的是：第 3 种方式只要 Singleton 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 Singleton 类被装载了，instance 不一定被初始化。因为 SingletonHolder 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 SingletonHolder 类，从而实例化 instance。想象一下，如果实例化 instance 很消耗资源，所以想让它延迟加载，另外一方面，又不希望在 Singleton 类加载时就实例化，因为不能确保 Singleton 类还可能在其他的地方被主动使用从而被加载，那么这个时候实例化 instance 显然是不合适的。这个时候，这种方式相比第 3 种方式就显得很合理。

  1. public class Singleton {  
  2.     private static class SingletonHolder {  
  3.         private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();  
  4.     }  
  5.     private Singleton (){}  
  6.     public static final Singleton getInstance() {  
  7.         return SingletonHolder.INSTANCE;  
  8.     }  
  9. }

枚举

JDK 版本：JDK1.5 起
是否 Lazy 初始化：否
是否多线程安全：是
实现难度：易
描述：这种实现方式还没有被广泛采用，但这是实现单例模式的最佳方法。它更简洁，自动支持序列化机制，绝对防止多次实例化。
这种方式是 Effective Java 作者 Josh Bloch 提倡的方式，它不仅能避免多线程同步问题，而且还自动支持序列化机制，防止反序列化重新创建新的对象，绝对防止多次实例化。不过，由于 JDK1.5 之后才加入 enum 特性，用这种方式写不免让人感觉生疏，在实际工作中，也很少用。
不能通过 reflection attack 来调用私有构造方法。

  1. public enum Singleton {  
  2.     INSTANCE;  
  3.     public void whateverMethod() {  
  4.     }  
  5. }